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橡膠材料摩擦Schallamach波演化的實驗與模擬研究

發(fā)布時間:2020-11-17 08:33
   橡膠摩擦是生活和生產中普遍存在的問題,如輪胎胎面磨損、密封圈膠面滑動、鞋底磨損和坦克膠輪摩擦等。與其他材料摩擦時橡膠材料會表現(xiàn)出粘結-滑移的行為,特別針對較軟橡膠材料滑動摩擦時,伴隨著粘結-滑移行為其表面會發(fā)生明顯的特殊波狀變形,又稱為Schallamach波。這些波會導致材料的奇異磨損,機械的附加震動,密封的泄露和機械噪音等,同時也可以利用其進行材料表面形貌構建和調控。因此,研究橡膠材料摩擦Schallamach波的影響因素和模擬方法,闡明橡膠材料摩擦Schallamach波的行為與機理,對柔性電子、生物橡膠材料和傳統(tǒng)工程橡膠材料等開發(fā)和應用具有十分重要的科學和工程意義。本文制備了不同力學性能實驗材料,搭建了實驗所需的實驗平臺,進行了不同條件下摩擦實驗,揭示了Schallamach波的演化規(guī)律,并首次實現(xiàn)了三維狀態(tài)下Schallamach波的仿真模擬。主要工作包括以下內容:首先,進行了實驗材料制備與表征和實驗平臺搭建的工作。選取PDMS為實驗材料,通過調整材料配比制備了具有不同力學性能的PDMS材料。對實驗材料進行了單軸拉伸實驗和DMA松弛實驗來表征其超彈性與粘彈性,對實驗數(shù)據(jù)進行了不同模型的擬合,選取了最佳的本構模型。參考經典實驗裝置,設計和搭建了本文實驗所需的摩擦Schallamach波實驗平臺。其次,定量研究了不同條件下摩擦Schallamach波的演化規(guī)律。進行了不同滑移速度、壓縮量和橡膠材料的摩擦實驗,獲得了不同滑移速度下Schallamach波表面形貌特征和波出現(xiàn)的臨界滑移速度,揭示了四種摩擦力的波形與滑移速度的對應關系,建立了滑移速度與最大靜摩擦力關系表達式,獲得了波速、波長、波數(shù)和接觸面積隨滑移速度、壓縮量和材料配比變化的規(guī)律,并建立了關系模型。最后,進行了摩擦Schallamach波二維和三維仿真模擬研究。通過二維仿真模擬,揭示了材料特性和粘彈性對首波出現(xiàn)時間、傳播時間、波數(shù)和波速的演化規(guī)律,獲得了Schallamach波出現(xiàn)的臨界壓縮應變?yōu)?.35,與文獻報道結果一致。首次實現(xiàn)了Schallamach波三維仿真模擬,獲得了形貌變化、摩擦力和波速等特征變化規(guī)律,與實驗結果對比驗證了三維分析結果的可靠性,并揭示了摩擦過程中橡膠材料的受力狀態(tài)。
【學位單位】:哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】:碩士
【學位年份】:2019
【中圖分類】:O313.5;TQ330.1
【部分圖文】:

表面形貌,橡膠摩擦,玻璃球,橡膠材料


然科學基金重大項目“大飛機子午線研究”,項目批準號:51790502。活和生產中得到廣泛應用,如輪胎、密封膠輪、醫(yī)用手套和生物橡膠等[1,2]。與工作狀態(tài)之一,例如輪胎胎面橡膠、橡材料摩擦時橡膠材料會表現(xiàn)出粘結-滑部分金屬等材料摩擦時也會出現(xiàn)這種行點,較軟橡膠材料受到很小的滑動摩擦明顯的特殊波狀變形,這種變形最早allamach 波,如圖 1-1 所示[10]。摩擦過異磨損[11,12],機械的附加震動[13],密封用 Schallamach 波進行表面形貌構建和amach 波的影響因素和模擬方法,闡明、生物橡膠材料和傳統(tǒng)工程橡膠材料等[18]。

示意圖,示意圖,接觸區(qū)域,硬表面


哈爾濱工業(yè)大學工程碩士論文面剝離波的形式通過接觸區(qū)域,在接觸區(qū)域后方消失,波的傳播方向與硬表面的移動方向相反,傳播速度大于硬表面移動速度,如圖1-2所示[30]。在對Schallamach波行為的研究中摩擦力值、臨界速度、波速、波長和變形形貌是關注的重點[30]。

示意圖,經典,實驗裝置,橡膠材料


圖 1-2 Schallamach 波的形成和傳播示意圖[30]1.2 國內外研究現(xiàn)狀1.2.1 Schallamach 波的實驗研究現(xiàn)狀對Schallamach波的研究主要通過實驗方法,經典裝置[31](如圖1-1)的實驗方法為將(透明或不透明)橡膠材料放置于透明玻璃平板上,玻璃半球(或圓柱)在豎直方向固定,以一定壓力(或法向位移)與橡膠接觸,玻璃板沿縱向移動,由此使橡膠材料與玻璃球之間發(fā)生相對滑動,將高速攝像設備連接顯微鏡頭,拍攝并記錄Schallamach波形成和傳播過程(如圖1-4),通過圖像分析獲得Schallamach波的行為特征[24,32-34],已報道研究中的部分實驗條件和結果如表1-1所示。
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本文編號:2887288

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