含缺陷或杂质的非均质物体高副接触摩擦学研究

本项目旨在针对国内外重要装备传动系统高副接触的共性和关键科技难题，着重研究含缺陷或杂质的非均质传动件摩擦学问题。主要内容包括：（1）非均质材料的界面失效问题，体内空穴和微裂纹导致的残余应力分析，重载工况下传动部件弹塑性接触动态过程分析，材料表面、亚表面裂纹萌生及其动态演变机理分析，非均质材料在微动工况下的界面特性和界面磨损分析，建立一类非均质材料微动磨损的算法模型。（2）固体润滑涂层对传动部件接触性能的影响，包括涂层或基体内部缺陷或杂质对涂层材料内部应力的影响，缺陷或杂质导致的应力奇异性分析，涂层和基体界面剪应力对接触特性的影响等。（3）基于实验研究和理论模型的非均质材料高副接触中表面、内部缺陷或杂质的相互作用及其动态演变机理。最终，揭示内部缺陷或杂质对界面力学行为的影响机制，提出高效高精度的数值求解方法，为研究开发出具有自主知识产权并达到国际先进水平的新型高性能传动件及系统奠定科学基础。

在本基金资助下，项目团队对非均质物体高副接触问题进行了系统深入的研究，包括含杂质物体接触、弹塑性接触、涂层材料接触、滚动接触和微动接触等。主要成果包括：1）在半空间特征应变研究中首次得到完全解析解和实现3DFFT快速算法。研究了典型椭球、长方体杂质的大小、深度、位置对界面微滑移、疲劳寿命的影响，结果显示杂质大小和分布对寿命有重要影响。2）模拟了弹塑性接触中的界面力学行为，揭示了塑性区域对界面微滑动的影响，研究发现弹塑性接触中的切向应力分布和传统弹性接触Mindlin-Cattaneo解明显不同，即使没有切向载荷，界面仍然存在切向应力，切向应力分布具有明显的不对称性。3）建立了基于半解析法的滚动接触快速求解算法，速度比国际著名轮轨接触专家Kalker算法快一个量级以上方面，该成果 2014年获美国STLE 协会颁发的Captain Alfred E. Hunt Memorial Award；4）基于Papkovich-Neuber弹性势函数，推导了多层材料表面单位压力和切向力作用下的位移解和应力解，并建立接触模型，此前学者仅推导了单层涂层的解析解。5）二维接触问题退化解、磨损动力学和扭转接触的界面微滑移问题研究。通过以上研究构建了考虑实际材料局部特征的计算微观接触力学理论模型和实验框架，成果为研究真实高副接触行为提供理论和实验指导。