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原文传递动态载荷下MC尼龙复合材料端面扭动摩擦学行为研究

论文题名：	动态载荷下MC尼龙复合材料端面扭动摩擦学行为研究
关键词：	铁路货车;心盘材料;动态载荷;端面扭动;摩擦学行为;有限元分析
摘要：	本文以铁路货车转向架为工程背景，研究了其心盘材料(MC尼龙复合材料)在不同载荷振幅和载荷频率下的端面扭动摩擦学性能。以端面扭动摩擦磨损试验装置为基础，通过改进压力加载装置，使其能够满足实验所需要的载荷，实现了对动态载荷下端面扭动磨损环境的准确模拟。利用该试验装置对比分析载荷振幅、载荷频率对MC尼龙复合材料端面扭动摩擦学行为的影响。采用ANSYS有限元软件对扭动过程进行仿真，分析等效应力及其分布、摩擦应力、接触状态接触力学行为。取得如下主要结论：　　1、在静态载荷下，MC尼龙复合材料端面扭动T-θ曲线随着循环次数的增加，均呈现出平行四边形，接触区域处于完全滑移状态；动态载荷下，各工况下的T-θ曲线在椭圆和平行四边形之间反复转化，对应的扭动机制从部分滑移到完全滑移不断转变，随载荷振幅增加，扭动更易运行于完全滑移状态。静态载荷时，摩擦扭矩在较短的时间内就进入稳定状态；动态载荷下摩擦扭矩最终保持在微小范围内波动。磨损中间区域以粘着磨损为主，且随载荷振幅增加不断加剧；边缘区域磨损机理以疲劳磨损为主，并伴随塑性变形，载荷振幅增加，接触界面承受更强的交变应力，导致塑形变形增强，造成更严重的磨损。通过ANSYS计算得到，在静态载荷下，最大Von Mises stress位置不发生变化；在动态载荷下，最大Von Mises stress向中间区域移动，且最大Von Mises stress存在很大的突变，使得接触边缘萌生裂纹，这与实验中边缘区域产生的裂纹的结果相一致；接触状态的变化规律与实验结果相吻合。　　2、载荷频率与扭动频率不重合时，各工况下T-θ曲线在椭圆形和平行四边形间转变，接触界面处于部分滑移和完全滑移状态，随载荷频率增加，T-θ曲线以平行四边形为主，整个接触区域处于完全滑移状态。随循环次数的增加，摩擦扭矩先增大后保持稳定，载荷频率越高，稳定阶段摩擦扭矩越大，对应的最大摩擦耗散能亦越大。高载荷频率下，材料的表面应变较快，导致材料的韧性降低，屈服强度下降，表面更容易产生疲劳裂纹，使得材料更容易脱落，磨损量较大，造成磨损加重。仿真结果显示，各工况下，接触状态呈现出动态的变化，处于部分滑移时，载荷频率增大，粘着区域减小，滑移区域增大，导致接触界面的磨损加重，最大摩擦应力出现粘滑交界位置，此位置是最容易萌生裂纹的位置；处于完全滑移时，摩擦应力分布不同及大小不同，导致磨损的不同，随载荷频率的增加，摩擦应力逐渐向中心区域移动，使得中心区域的磨损逐渐增加，造成高载荷频率下的磨损更为严重，仿真结果与实验分析结果相对应。　　3、载荷频率与扭动频率重合时，随着重合比的增加，T-θ曲线以平行四边形为主，扭动运行于完全滑移状态；稳定阶段摩擦扭矩与载荷频率成线性增加，磨损量与重合比成正比线性关系；频率重合能诱发产生更高的频率，使接触界面应变加快，摩擦力变化的剧烈程度也越大，接触界面的切向应力变化亦越剧烈，MC尼龙亚表面的基体崩溃越严重造成严重的疲劳磨损；仿真结果表明，当法向载荷最大时，随着重合比的增加，接触状态从部分滑移逐渐向完全滑移状态转变，当法向载荷处于最小值时，接触状态均处于完全滑移状态；随着重合比的增大等效应力向中心区域移动，重合比越大，应力分布范围越广；最大摩擦应力随重合比的增加而增加，分别为0.11MPa、0.15MPa、0.17MPa，导致磨损随之增加。　　4、试验结果和仿真结果相对应，能够合理的解释了实验结果中扭动机制的变化现象，进一步加深了对动态载荷下扭动机制的认识。
作者：	曹波
专业：	机械设计及理论
导师：	王世博
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文