功能梯度材料弹流润滑接触分析及应用

This project will study some typical elastohydrodynamic lubrication (EHL) contact problems of the functionally graded materials (FGMs). The main contents include: developing theoretical models of dry frictional contact of FGM coated half-plane/space, deriving the elastic deformation equations of the EHL problem, and solving the steady isothermal line and point EHL contact of FGMs with Newtonian fluid model; developing theoretical models of the non-Newtonian EHL contact, and solving the steady isothermal line and point non-Newtonian EHL contact of FGMs; solving related thermal EHL contact problems; and conducting numerical simulations and experimental investigations on the EHL contact of FGMs. The aim of this project is to understand the mechanism of modifying the EHL contact by using FGMs. The effects of the gradient index on the contact pressure, lubrication film thickness and temperature distributions will be discussed. The results are relevant to the applications of FGMs in improving the resistance to friction, wear and contact damage, and realize the optimal design of the material surface to resist the contact damage and enhance the contact lubrication performance. The present work can provide theoretical basements for the application of FGMs on the lubrication systems, such as gear.

本项目的研究将主要集中于功能梯度材料的若干基本弹流润滑接触问题。主要内容包括：通过建立功能梯度材料涂层半平面/空间干摩擦接触问题的理论分析模型，获得弹流润滑问题的弹性变形方程，然后求解功能梯度材料稳态恒温牛顿流体的线、点接触弹流润滑问题；建立非牛顿流体弹流润滑接触的理论模型，求解功能梯度材料稳态恒温非牛顿流体的线、点接触弹流润滑问题；求解相应的热弹流润滑接触问题；进行功能梯度材料弹流润滑接触的数值模拟和实验研究。主要目的是：考查材料梯度指数和梯度变化的不同形式对弹流润滑接触特性的影响；研究如何利用梯度涂层来调节弹流润滑接触压力、润滑膜厚度和温度分布，改善材料表面的摩擦、磨损和疲劳损伤问题，实现材料表面抗接触损伤和增强接触润滑性能的优化设计，为功能梯度材料在齿轮等润滑系统中的应用提供理论依据。

本课题研究了功能梯度材料的弹流润滑接触、基于表面效应的弹流润滑接触、基于偶应力理论的弹流润滑接触问题。主要内容和成果包括：.1. 分析了功能梯度材料的弹流润滑接触问题，获得了流体压力和润滑膜厚度的数值解，讨论了压头半径、涂层厚度、刚度比、卷吸速度和总法向载荷对流体压力、面内应力、薄膜厚度的影响。研究结果表明，减小功能梯度涂层刚度比，可以显著改变接触区内流体压力和膜厚的分布，从而改善材料表面的摩擦接触损伤。.2. 基于表面弹性理论，研究了弹性半平面表面依赖的弹流润滑线接触问题，研究结果显示残余表面应力对薄膜厚度和压力尖角有显著的影响，而表面弹性模量影响较小；随着残余表面应力的增加，压力尖角和薄膜厚度都显著增加。.3. 基于偶应力弹性理论，研究了弹性材料半平面以及均匀弹性涂层尺寸依赖的弹流润滑接触问题，讨论了特征材料长度、涂层厚度、滑滚比、材料刚度比对流体压力、面内应力、薄膜厚度的影响。结果表明，当采用经典弹性理论时，微/纳米尺度弹流接触问题的结果可能被低估。.本项目的主要研究内容进展顺利，在功能梯度材料的弹流润滑接触力学方面取得了许多研究成果，资助期间共发表标注基金号的SCI论文8篇，其中第一作者论文4篇。在资助期间，主持人入选博士后创新人才支持计划。