【摘 要】
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工程中很多接触问题都与热的产生和传导紧密相关,当两个接触体相对滑动时,接触面上的摩擦热可能会引起热弹性变形以及接触应力和接触区域的变化。这些变化反过来影响热传导的边界条件,并产生耦合的热机械响应。摩擦产生的热量与摩擦系数、滑动或旋转速度以及接触压力成正比。它会导致接触面的热弹性变形和接触损伤,进而引起材料的磨损,最终导致结构失效。在现代工业中,通常采用在部件表面添加涂层来减少由于接触损伤或摩擦损伤
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工程中很多接触问题都与热的产生和传导紧密相关,当两个接触体相对滑动时,接触面上的摩擦热可能会引起热弹性变形以及接触应力和接触区域的变化。这些变化反过来影响热传导的边界条件,并产生耦合的热机械响应。摩擦产生的热量与摩擦系数、滑动或旋转速度以及接触压力成正比。它会导致接触面的热弹性变形和接触损伤,进而引起材料的磨损,最终导致结构失效。在现代工业中,通常采用在部件表面添加涂层来减少由于接触损伤或摩擦损伤造成的破坏。本文针对刚性压头作用下涂层结构的轴对称热摩擦接触问题开展理论研究,探讨利用涂层改善热摩擦接触损伤的可行性。主要内容和结论包括:1.研究讨论了均匀涂层半空间在旋转刚性绝热压头作用下的轴对称热摩擦接触问题。研究结论表明,无论是圆柱形压头还是球形压头,法向接触应力和径向应力的最大值都随着摩擦系数和旋转角速度的增大而增加。径向应力对旋转角速度和摩擦系数比法向接触应力更敏感。法向接触应力仅对剪切模量比较敏感。然而,径向应力对剪切模量、导热系数和热膨胀系数的比值敏感。最高表面温度出现在接触区域的中心附近,并随着摩擦系数和旋转角速度的增大而明显增加。2.研究讨论了刚性绝热压头在均匀涂层半平面表面滑动的轴对称热摩擦接触问题。研究结论表明,无论是圆柱形压头还是球形压头,法向接触应力和径向应力的最大值都随着摩擦系数和滑动速度的增大而增加。径向应力对滑动速度和摩擦系数比法向接触应力更敏感。最高表面温度出现在接触区域的中心附近,并随着摩擦系数和滑动速度的增大而明显增加。3.研究讨论了材料参数呈任意函数变化的功能梯度材料（FGMs）涂层结构在刚性球形压头作用下的两种轴对称热摩擦接触问题。研究结论表明,改变结构表面应力的分布,可以调节涂层的梯度指数,进而可以改善热弹性接触损伤。最高表面温度显示在滑动/旋转球形压头接触区域的中点附近。并且可以通过调节涂层的梯度指数或滑动速度/旋转角速度来使表面温度分布的改变。通过适当调整涂层的梯度类型,可以使最高表面温度降低和最大径向应力减小。本文所做工作不但使涂层结构轴对称热摩擦接触问题的理论得到了完善,并且对于工程应用中以改进热弹性接触磨损为目标的设计涂层的优化都有着重大价值。
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