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原文传递自润滑复合材料性能建模方法与磨损过程仿真研究

论文题名：	自润滑复合材料性能建模方法与磨损过程仿真研究
关键词：	高铁车辆;受电弓导电滑板;自润滑复合材料;耐磨损性能
摘要：	受电弓导电滑板是高铁车辆的重要部件，其与输电导线的磨损增加了铁路运营成本及行车安全风险。材料的力学性能和物理性能是影响磨损性能的重要因素，优良的力学物理性能取决于复合材料的配方设计，而配方设计需要理论模型的指导。为了改进受电弓滑板的耐磨损性能，国内外研究设计了多类受电弓滑板材料配方，但缺乏对性能模型及磨损仿真的深入分析。本文以受电弓滑板自润滑复合材料为研究对象，采用基因表达式编程算法(Gene Expressiong Pro gramm-ing,GEP)与元胞自动机方法，对复合材料导电磨损性能与组分配比的关系模型、复合材料性能协变关系与综合优化、以及界面磨损过程仿真等问题展开研究。论文主要的研究工作和成果如下：　　（1）设计一类具有高导电性、耐磨损的受电弓滑板自润滑复合材料。通过比较配比为1:1至1:0.3间的石墨/沥青、石墨/聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和石墨/聚乙烯醇缩甲乙醛(PVFE)复合基体材料的导电磨损性能和热稳定性，确定配比为1:0.8的石墨/沥青复合材料作为基体。添加碳纤维/硅灰石(2∶1)以及铜粉制备多组分自润滑复合材料，并测试电阻率、弯曲强度、圧缩强度、磨损量、硬度和密度等性能获取建模研究的基础数据。相比于基体材料，多组分复合材料的弯曲强度从1.13-6.20MPa增加到6.98-13.32MPa，圧缩强度从5.6-8.4MPa增加到8.26-15.49MPa，平均磨损量由12.67mg减小到5.9mg，性能显著提升。　　（2）基于多组分自润滑材料的测试数据，针对复杂复合材料性能基础模型难以选择的问题，本文基于函数空间理论，提出了模型搜索空间的概念并建立了自润滑复合材料性能与组分配比的关系模型。通过龙格函数、太阳黑子模型和松弛模量性能建模，验证了概念的合理性以及GEP在给定模型搜索空间中搜索模型的能力。本文采用筛选基函数的方法优化模型搜索空间，结合GEP建立了多组分复合材料电阻率、弯曲强度、圧缩强度、磨损量、硬度和密度与组分配比关系的性能模型。检验分析表明，性能模型的拟合优度均高于0.7，最大绝对误差2.4，平均相对误差5.58%。与多项式模型相比较，本文模型能有效地抑制龙格现象，鲁棒性强，泛化性能稳定，能够更准确的反映复合材料性能的变化规律。　　（3）多组分自润滑复合材料的性能之间存在协变现象，其模型搜索空间采用的初等函数和模型曲面变化具有一致性。基于此，本文提出了复合材料力学性能与物理性能之间协变关系的识别方法。运用此方法，本文验证了复合材料的电阻率和圧缩强度的指数关系，证明了本方法的有效性，进而建立了磨损量与弯曲强度、硬度的协变关系模型。此外，为了协调性能的差异性，本文采用综合加权优化模型将多目标的性能优化问题转化为单目标优化问题，并设计罚函数求解，进而优化了配方。实验测试表明，根据综合优化模型结果设计的复合材料协调了各项性能，满足性能优化的标准。　　（4）基于石墨/沥青复合材料的测试数据，本文首次运用元胞自动机模型耦合了界面接触摩擦的磨损过程、热力学过程和形态学过程，实现了三个不同时间尺度过程的综合仿真模拟。模型采用周期性边界条件，实时计算了摩擦过程中的形貌变化、应力分布、摩擦系数、温度分布以及相关变化，为进一步研究自润滑复合材料提供了基础模型。考虑材料孔隙缺陷的影响，本文建立了含有缺陷模块的元胞自动机。仿真结果表明，缺陷结构提升了磨损界面的摩擦系数，使界面最高温度上升了20%。
作者：	吴俊
专业：	力学
导师：	黄樟灿
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2020