颗粒流润滑状态多值性及剪切膨胀承载机制研究

颗粒流润滑是可用于苛刻环境下的新型润滑方法，颗粒流的状态多值性和剪切膨胀特性对润滑的影响是全面建立颗粒流润滑理论不可回避的问题。本项目拟从颗粒系统微观、细观和宏观多个物理层次的特性及其关联机制入手，以颗粒间微观接触模型为基础，采用离散单元法对颗粒流润滑条件下颗粒介质动力学行为进行模拟，确定接触时间和配位数等参数的特性和细观力链结构演变过程；研究它们与颗粒流状态以及宏观本构关系等的联系及定量描述方法，进而探讨颗粒流润滑时状态多值性以及颗粒物质剪切膨胀对润滑特性的影响，阐明流态转变和剪切膨胀特性对颗粒流润滑和承载特性影响的机制，揭示相应的规律和特征，形成考虑颗粒物质状态多值性和剪切膨胀特性影响的颗粒流润滑理论与方法。研究结果将促进颗粒流润滑理论的发展，为摩擦学设计提供新的理论基础。

针对颗粒流润滑的状态多值性和剪切膨胀承载机制，本项目从试验和理论两方面进行了系统的研究。运用离散单元法构建了颗粒流润滑的理论研究模型，对颗粒润滑介质的自扩散特性、动力学特征、力链特征、剪切膨胀现象及承载的力学机制进行了研究。研究结果认为颗粒润滑介质的平均速度和波动速度的变化趋势相反；接触力和接触角均按幂函数规律变化；颗粒润滑介质的动力学行为具有阻塞态、准静态流、慢速流和快速流四种状态；指出了颗粒润滑介质的塑性变形过程是由多个硬-软化塑性变形阶段构成，并分析了各个阶段应力和应变的变化以及力链重构和解构的循环过程。研究了颗粒流内部应力和力链现象在剪切过程表现出的多样性，获得了颗粒流润滑的平均无量纲纵向承载率随剪切速度和压力载荷的变化规律。颗粒润滑介质在剪切运动过程中整体的剪切膨胀程度会随着剪切速度的增大而减小，压力载荷的减小而增大；颗粒润滑介质剪切膨胀过程中产生的法向作用力也可以有效承载，且承载能力随着剪切速度的增大而减弱、载荷的增大而增强。.采用试验方法研究了颗粒润滑介质在受剪过程中的剪切膨胀特性、摩擦转化过程、界面摩擦特性和粘滑运动机理。试验结果获得了界面间隙随剪切速度、载荷和颗粒润滑介质粒径等而变化的规律；分析了试验过程中的粘滑运动机理，并与数值模拟结果进行了对比分析。.将离散单元法和基于连续介质力学的有限元方法耦合建立了描述颗粒流润滑的多尺度分析方法，分析颗粒流润滑下的能量耗散特性、应力-应变特点、接触力及接触角的变化规律、界面间隙随载荷、剪切速度、颗粒润滑介质粒径、摩擦系数的变化特性等。.通过以上的颗粒流润滑系统的理论和试验研究，建立了考虑颗粒物质状态多值性和剪切膨胀影响的颗粒流润滑分析方法，阐明了流态转变和剪切膨胀特性对颗粒流润滑和承载特性的影响机制以及颗粒流润滑流态和剪切膨胀的控制途径。