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粘着接触下硬质涂层/韧性基底系统界面分层的有限元分析

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制造技术与机床 2017年第2期 64-67页

作者：刘近波王晓力北京理工大学机械与车辆学院北京100081

建立了球形压头与弹性涂层/弹塑性基底系统间粘着接触的有限元模型,采用满足Lennard-Jones力定律的非线性轴向连接器来模拟压头与涂层间的表面粘附作用,并由内聚力模型来模拟涂层/基底的界面分层。研究了不同粘着功下,表面间的粘附作用... 详细信息

建立了球形压头与弹性涂层/弹塑性基底系统间粘着接触的有限元模型,采用满足Lennard-Jones力定律的非线性轴向连接器来模拟压头与涂层间的表面粘附作用,并由内聚力模型来模拟涂层/基底的界面分层。研究了不同粘着功下,表面间的粘附作用对界面分层的影响。结果表明,增大粘着功会促使界面分层的产生。对于产生分层的曲线,卸载响应由五个连续阶段组成:弹性恢复、界面损伤起始(开裂)、界面损伤扩展(分层)、涂层弹性弯曲以及表面突然分离(jump-out)。

关键词：涂层粘着接触内聚力模型界面分层有限元分析

纳米级粗糙表面粘着接触行为的分子动力学模拟

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纳米级粗糙表面粘着接触行为的分子动力学模拟

作者：雷海东重庆大学

学位级别：硕士

在宏观世界中,两个或两个以上的物体通过局部边界相互接触而实现力或运动传递的问题称为接触问题,它是摩擦学研究的重要分支之一,是分析摩擦磨损和润滑问题的基础。接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,微/纳接触问题已经成为严重制约... 详细信息

在宏观世界中,两个或两个以上的物体通过局部边界相互接触而实现力或运动传递的问题称为接触问题,它是摩擦学研究的重要分支之一,是分析摩擦磨损和润滑问题的基础。接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,微/纳接触问题已经成为严重制约MEMS技术发展的关键性问题。MEMS接触面通常都比较光滑,当微表面静止接触或两表面间隙处于纳米量级时,由于表面粘附力使其两表面接触在一起,产生了高摩擦、高磨损,这不仅使微器件的性能受到严重影响,还会导致动作失效,而且在微构件的制造中,是造成废品的重要因素之一,直接导致MEMS的一次成功率降低,成本增大。为了搞清楚纳米接触的实质,并建立正确的理论体系尤其是更接近真实表面的粗糙表面接触的理论,对MEMS器件的设计与制造的过程中涉及的一些现象如粘附失效、摩擦、磨损等做出合理的解释,并用之来指导MEMS器件的设计与制造,提高产品的性能,合格率,制造新产品,本论文通过分子动力学(Molecular Dynamics)方法,以金刚石为例,采用Tersoff势研究了刚性光滑表面球体探头与弹性基体的粘着接触过程,论证了宏观接触模型是否适用于预测纳米尺度接触行为。结果表明小载荷范围内,粘附力影响接触行为,载荷—接触面积关系与COS一致,大载荷范围内,接触行为由材料的体相性质决定,与Hertz理论相一致。同时,我们通过W-M函数有效的表征分形粗糙表面,采用Tersoff势研究了具有不同分形维数的分形粗糙表面的刚性球体探头与弹性基体的粘着接触过程,初步探讨了表面形貌对粘着特性的作用与影响,分析了不同分形维数下载荷与接触位移、接触面积的关系。结果表明,粗糙形貌对载荷、位移曲线的影响,与光滑时的粘附作用类似,分形形貌仅在小载荷范围内产生影响,而在大载荷范围内,载荷、位移曲线由材料的体相性质决定。真实接触面积与载荷存在线性关系,与G-W模型定性地一致。

关键词：分子动力学纳观表面粘着接触表面形貌

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纳观表面粘着接触的分子动力学模拟

纳观表面粘着接触的分子动力学模拟

作者：朱世俊西北工业大学

学位级别：硕士

微/纳机电系统(Micro/Nano Electro-Mechanical Systems，MEMS/NEMS)是人们在微/纳观领域认识与改造世界的一项高新技术。当构件尺寸减小时，与面积成比例的表面粘着力等的作用成为主要作用力。在多数情况下表面粘着力是阻力，而在另一... 详细信息

微/纳机电系统(Micro/Nano Electro-Mechanical Systems，MEMS/NEMS)是人们在微/纳观领域认识与改造世界的一项高新技术。当构件尺寸减小时，与面积成比例的表面粘着力等的作用成为主要作用力。在多数情况下表面粘着力是阻力，而在另一些情况下是驱动力。微/纳观表面粘着接触行为以及表面形貌对粘着接触特性影响的研究对微/纳机械设计与运用具有重要意义。本文通过分子动力学(Molecular Dynamics)方法，采用Lennard-Jones势研究了不同半径的刚性光滑表面圆柱体压头与弹性基体的接触过程，探讨了Hertz理论解的局限性，分析了粘着接触特性随压头尺寸的变化关系。模拟表明，若不考虑表面粘着，当压头尺寸增大时，其接触半带宽及接触压力分布与Hertz解有更好的吻合。但模拟结果与Hertz解有一定出入，这说明在纳米尺度下，Hertz解的局限性;若考虑表面粘着，随着压头尺寸的增大，粘着滞后现象越明显。载荷-半带宽关系曲线与Barquins给出的理论解很相似。高应力区出现在接触区域两边，且当压头半径减小时，von Mises应力随着压入深度的增大而迅速增大，说明粘着力对小尺寸压头的接触过程影响较大。采用镶嵌原子法(Embedded-Atom Method，EAM)研究了刚性圆柱体压头及平面压头在不同表面形貌影响下的纳观粘着接触过程，初步探讨了表面形貌对粘着特性的作用与影响。对不同表面形貌圆柱体压头与弹性基体粘着接触模拟表明，光滑表面压头与基体接触产生了很大的接触载荷;粗糙表面压头有着使基体表面原子发生迁移的表面能与间隙，使其位移-载荷曲线有明显变化，表现出较大的载荷突变，且压力值很小，而卸载时的最大粘着力与光滑表面压头基本一致。在带有“齿”型表面平面压头与弹性平面粘着接触模拟中，压头Ⅰ比压头Ⅱ的“齿”小。模拟表明，压头Ⅰ比压头Ⅱ对基体原子有着更强烈的撕裂作用，使得接触分离时的最大粘着力前者为后者的两倍，且压头Ⅰ、Ⅱ吸附原子个数分别为19，4。这说明不同大小“齿”型表面形貌对粘着接触有很大影响。最后，总结了全文，指出未来微/纳接触力学研究发展方向。

关键词：分子动力学纳观表面粘着接触表面形貌

基于分形几何的表面微观形貌模拟及粘着弹性接触计算研究

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润滑与密封 2007年第6期32卷 74-77页

作者：冯丽谢沛霖海军工程大学船舶与动力工程学院湖北武汉430030

基于Ausloos和Berman提出的推广的W-M函数对具有分形特征的粗糙表面进行仿真模拟,分析了函数中与尺度无关的特征参数对表面微观形貌的物理意义。同时,基于Yan和Maugis的理论研究,用模拟的分形表面建立了考虑表面效应的弹性接触模型,通... 详细信息

基于Ausloos和Berman提出的推广的W-M函数对具有分形特征的粗糙表面进行仿真模拟,分析了函数中与尺度无关的特征参数对表面微观形貌的物理意义。同时,基于Yan和Maugis的理论研究,用模拟的分形表面建立了考虑表面效应的弹性接触模型,通过数值方法对整个过程进行迭代求解,得到了两接触面在不同的接触条件下各个接触斑点上的载荷分布和真实接触面积以及接触斑点的数量和尺寸。由于真实接触面积的尺寸敏感地反应表面微观几何形貌的变化,因此该方法为研究粘着机制和减小微尺度粘着效应提供了思路。

关键词：分形几何表面微观形貌表面效应粘着接触

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粗糙圆柱表面粘着力学与微齿轮接触分析

粗糙圆柱表面粘着力学与微齿轮接触分析

作者：杨思维重庆大学

学位级别：硕士

微齿轮是微机电系统(MEMS)中重要的零部件，其传动性能对微机电系统的整体性能有决定性影响。相对于宏观齿轮而言，由尺度效应引起的表面力将对微齿轮接触产生重要的影响，同时表面效应带来的微齿轮中的摩擦磨损问题显得十分突出。而目... 详细信息

微齿轮是微机电系统(MEMS)中重要的零部件，其传动性能对微机电系统的整体性能有决定性影响。相对于宏观齿轮而言，由尺度效应引起的表面力将对微齿轮接触产生重要的影响，同时表面效应带来的微齿轮中的摩擦磨损问题显得十分突出。而目前微齿轮的研究主要集中在制造方面，对微齿轮的接触分析研究相对比较少。由于微齿轮的特殊性，不能直接把分析宏观齿轮的理论应用于微齿轮的研究，所以考虑表面力作用下的微齿轮接触分析是非常重要的。将微齿轮轮齿的接触简化为两个圆柱体之间的接触，考虑到在微观尺度下表面粗糙度对粘着力的影响，本文首次建立了粗糙圆柱表面之间的粘着接触力学模型，运用数值计算方法求得表面等效压力分布;并利用该模型对微齿轮轮齿之间的接触进行了分析，计算结果为微齿轮研究提供了理论依据。论文的主要研究工作如下： ①分析了JKR和DMT两种粘着接触力学模型在卸载过程中的外载荷、接触半径和弹性位移的关系，同时分析了粗糙表面的微观形貌和GW粗糙表面接触模型。 ②假设表面微凸体顶点为半径相同的球形，并且顶点高度服从高斯概率分布，微凸体与平面之间的接触模型分别采用JKR和DMT粘着接触模型，同时考虑了表面之间的整体变形，分别建立了用于软硬材料的粗糙圆柱表面之间的粘着接触模型。 ③运用修正Newton-Raphson迭代法求解离散化的压力方程和间隙方程，计算出了圆柱表面的等效压力分布和无量纲接触半宽随外载荷变化曲线，并求出了接触分离力，同时与传统的接触模型进行了对比，分析了表面粗糙度、弹性模量和圆柱半径对表面粘着力的影响。 ④分析了微齿轮的加工工艺与表面特征，以及微齿轮啮合过程中的载荷分配问题，利用之前建立的粗糙圆柱表面粘着接触力学模型，对软硬材料微齿轮之间的粘着接触问题进行了研究，得出了表面力作用下微齿轮轮齿表面的接触状况，并提出了判定微齿轮粘着失效与减小轮齿表面粘着力的方法。

关键词：微齿轮粘着接触粗糙表面 JKR和DMT模型圆柱表面

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表面力仪及其在表面接触研究中的应用

科学通报 1999年第3期44卷 268-272页

作者：邹鲲冷永胜李志军陈军胡元中王慧温诗铸清华大学摩擦学国家重点实验室北京工业大学北京100084

介绍了清华大学摩擦学国家重点实验室研制的表面力仪 (SFA)的原理及其构造 ,并应用它对固体的微观接触进行了初步的研究 ,比较了粘着与无粘着时的接触 .实验表明 ,Hertz理论与无粘着接触时的实验非常吻合 ,JKR理论则较好地描述了粘着时... 详细信息

介绍了清华大学摩擦学国家重点实验室研制的表面力仪 (SFA)的原理及其构造 ,并应用它对固体的微观接触进行了初步的研究 ,比较了粘着与无粘着时的接触 .实验表明 ,Hertz理论与无粘着接触时的实验非常吻合 ,JKR理论则较好地描述了粘着时的现象 .

关键词：表面力仪粘着接触无粘着接触表面接触摩擦学

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利用液体桥力的微球转移操作

清华大学学报（自然科学版） 2005年第5期45卷 647-650页

作者：郭百巍刘兵汪家道陈大融清华大学精密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室北京100084

为了克服粘着对微机电系统装配的影响,提出了一种利用液体桥力实现微球转移操作的方法。利用操作臂和微球之间的液体桥力实现微球的抓取,利用目标平面和微球之间的液体桥力实现微球的释放。对微球受力的理论分析表明,重力可以被忽略。... 详细信息

为了克服粘着对微机电系统装配的影响,提出了一种利用液体桥力实现微球转移操作的方法。利用操作臂和微球之间的液体桥力实现微球的抓取,利用目标平面和微球之间的液体桥力实现微球的释放。对微球受力的理论分析表明,重力可以被忽略。由于干燥微球和粗糙平面之间的粘着力很小,抓取操作容易实现;释放操作要求操作臂末端的半径小,操作液体的界面能尽量低。使用该方法实现了一种微滚动导轨的装配,从而验证了该方法的可行性。

关键词：微操作粘着接触液体桥力微机电系统

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钨合金微观力学行为与去除机理研究

钨合金微观力学行为与去除机理研究

作者：曾益西南交通大学

学位级别：硕士

由于钨合金具有耐腐蚀、防辐射、硬度高、冲击性能好等物化特性,被广泛的用于航空航天、军事国防、核工业等重要领域。随着人们对钨合金需求不断扩大,对钨制品的质量、精度、表面完整性等要求也相应提高,因此针对钨合金制造、加工、测... 详细信息

由于钨合金具有耐腐蚀、防辐射、硬度高、冲击性能好等物化特性,被广泛的用于航空航天、军事国防、核工业等重要领域。随着人们对钨合金需求不断扩大,对钨制品的质量、精度、表面完整性等要求也相应提高,因此针对钨合金制造、加工、测试方面的相关研究具有重要意义。本文针对钨合金材料,借助光学显微镜、Hystron压痕实验仪、Hopkinson压杆等实验设备,从微观、宏观、准静态、动态等方面展开了相关力学性能测试,同时利用相关理论,通过有限元等软件对测试过程进行了数值仿真,仿真结果与实验数据保持了较好的一致性,基于两者的对比分析结果,深入研究了钨合金的粘塑性力学特性。基于温度、应变、应变率等多因素耦合作用下钨合金的应力应变曲线,拟合得到了相应的本构模型,在有限元软件中,通过本构模型对钨合金材料属性进行定义,以数值仿真的形式对钨合金磨削去除过进行模拟,建立了相应的单磨粒、多磨粒等模型,对比了普通磨削与超声振动磨削之间的区别,研究了不同磨削工艺对磨削力的影响。主要包括以下内容:(1)对钨合金微观组织结构进行了分析,确定了钨合金主要由钨颗粒与粘结相构成。针对钨合金粘结相,开展了压痕实验,确定了粘结相在微观条件下的准静态粘塑性属性。随着压痕尺度延伸至纳米级,钨合金粘结相表面存在粘着接触现象,进一步开展了钨合金粘结相微纳米接触仿真,粘附力对接触过程中产生的力位移曲线、应力应变分布、表面压力分布等有显著影响,仿真结果表明粘附力会引发接触失稳,改变接触区的应力、应变、表面压力等物理场的分布情况,同时力位移曲线受第一次加载的影响最为明显。(2)基于Hopkinson压杆实验装置,开展了钨合金动态在应变率为1000～5000 s、温度为20～500℃范围内的力学测试,测试结果表明,钨合金为应变率敏感性材料,在不同应变率条件下钨合金的流动应力会发生改变,同时初始温度条件会显著改变钨合金的力学性能。在相同载荷下,室温条件下钨合金的流动应力会显著高于300℃与500℃条件下的流动应力,同时随着温度的增加,即便是在相同载荷条件下,钨合金的变形量也会增加。利用钨合金应力应变曲线,拟合得到了Jonson-Cook和Mechanical threshold stress本构模型,模型预测值表明由于塑性变形钨合金会发生明显的软化现象,而且Jonson-Cook本构受温度软化的影响更为明显,对应变率也更为敏感。(3)建立了相应的单磨粒、多磨粒磨削仿真模型,开展了钨合金磨削去除机理研究。仿真结果表明,普通磨削过程中,磨粒半径、磨削深度对磨削力影响较大,磨削速度对切向力与法向力的影响较小。超声振动磨削会使磨屑更容易断裂,能显著降低磨削力,振动振幅对切向力和法向力的影响大于振动频率和转速的影响,并且不同磨削工艺对磨削力的影响在单磨粒与多磨粒仿真磨削中保持一致。

关键词：钨合金纳米压痕粘着接触粘塑性力学行为本构模型数值仿真有限元磨削超声振动

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MEMS粘附的分子动力学研究

MEMS粘附的分子动力学研究

作者：申海兰西安电子科技大学

学位级别：硕士

虽然MEMS发展已经有二十多年的时间了,但粘着问题一直阻碍MEMS产品进入市场,是MEMS技术急需解决的关键问题。分子动力学模拟作为一种数字实验方法,可以对理论分析和实验观察都难以了解的现象做出一定的解释。分子动力学模拟是研究粘着... 详细信息

虽然MEMS发展已经有二十多年的时间了,但粘着问题一直阻碍MEMS产品进入市场,是MEMS技术急需解决的关键问题。分子动力学模拟作为一种数字实验方法,可以对理论分析和实验观察都难以了解的现象做出一定的解释。分子动力学模拟是研究粘着问题的一种有效方法。针对MEMS中的粘着问题,本文选取Au材料,以分子动力学模拟为研究手段,对MEMS球面模型接触过程进行了模拟,综合考虑引力和斥力,并对模拟结果进行了分析。本文首先介绍了分子动力学模拟技术的基本原理,然后建立了分子动力学的仿真模型,并确定了分子动力学模拟的各种仿真参数。模拟中采用EAM势函数描述原子间的相互作用,采用Velocity-Verlet算法求解系统运动方程。本文研究了球面模型接触过程中原子构型的变化;讨论了在接触过程各个阶段中接触区域的压力分布情况;分析了接触半径随着接触力以及压头位移的变化关系;分析了接触力随着压头位移的变化关系以及接触力与接触区域原子层数的关系;分析了接触过程中系统总能量随时间的变化关系以及系统势能随着压头位移的变化关系。本文使用C++语言进行微/纳观接触问题的分子动力学研究,代码精简易懂,可移植性好,为分子动力学模拟技术的编程风格进行了改进。研究表明:压头逐渐趋近于基体表面时,基体表面在粘着力的作用下以“突跳”的方式与压头迅速接触,得到“突跳”现象;当压头反向撤离时,与压头相连的基体材料发生颈缩,得到颈缩分离现象;分离粘着过程中的接触力相对于粘着接触过程中的接触力呈现明显的滞后,这表明粘着力在分离粘着过程中对弹性基体的原子构型有较大影响;接触力的大小只与接触区域的上面少数几层原子有关;受压状态下,接触区域近处原子受压力,远处原子受拉力;接触过程中出现了晶体变形和原子迁移现象。

关键词：分子动力学模拟粘着接触 MEMS