单向和双向滑动下平行曲面纹理形状的数值优化

关键词 表面纹理 形状优化 承载能力 空化和质量保守算法

摘要

使用基于顺序二次规划（SQP）算法的数值优化方法来确定用于产生最高承载能力（LCC）的最佳纹理形状。首先要解决一个基准问题来验证这个优化方法。然后提出并分析了产生单向和双向滑动运动的最大承载能力的新颖纹理形状。对于单向滑动，最佳纹理具有平坦前部的人字形形状，并且对于双向滑动，它们由成对的梯形形状。最后，使用质量保守算法将最佳形状的性能与规则形状的性能进行比较。

1. 引言

近年来，通过表面纹理提高摩擦学性能的研究引起了人们的兴趣。应用表面纹理的好处包括提高承载能力，减少摩擦力和磨损，扩大流体动力润滑范围，提高抗咬合性。为了使表面纹理的效果最大化，已经进行了许多理论和实验研究，以通过改变凹坑尺寸，深度和面密度来优化纹理的几何参数。关于这个问题经常被引用的文献之一是Etsion等人的工作。他们调查几何参数对球形凹痕的性能的影响。他们发现，凹坑的深度与直径之比是最重要的设计参数，并且存在使该平均压力最大化的该参数的最佳值。Wang等人通过实验研究了在水润滑条件下凹坑SiC止推轴承的性能，并报告了凹坑的直径，深度和面积比的最佳值，以最大限度地提高承载能力（LCC）。这些研究主要集中在圆形凹坑的表面。

由于凹坑的形状本身是表面纹理设计的另一个重要因素，一些研究比较了不同纹理形状的摩擦学性能，并通过实验和数值的方法研究了形状和取向效应。Wang和Hsu使用销盘摩擦计研究了织构形状和取向对摩擦行为的影响。他们比较了纹理与三种形状（圆形，椭圆形和三角形）和两个方向（平行和垂直于滑动方向）。他们的测试结果表明，纹理形状和方向对摩擦有影响，并且长轴椭圆形凹痕垂直于滑动方向放置表现出最高的摩擦减少。后来，Yu等人在一个凹坑上开发了一个数值模型来计算模拟他们的实验结果。他们比较了不同纹理的平均压力，并得到结论为主轴垂直于滑动方向的椭圆形凹坑产生最高的平均压力，这与以前的实验结果一致。

Lu和Khonsari 比较了圆形和椭圆形凹坑对轴颈Stribeck曲线的影响。他们发现在混合润滑条件下，具有椭圆形凹坑的衬套具有较低的摩擦系数。Galda等人在环上试验台研究了凹坑的形状和分布对Stribeck曲线的特征的影响。测试具有球形，长条形和短条形凹痕的环状试样。他们的结果表明，在摩擦系数方面，球形和长距离形状的凹坑表现比短滴形状更好。在最近的一篇论文中，Qiu 等人在空气润滑下，根据LCC优化了六种不同纹理形状的几何形状和密度。 然后，比较每个具有最佳几何形状的凹坑形状的性能。他们的结论是，椭圆形凹坑提供了最大的承载能力（LCC）。

符号说明

g 开关功能 ^pc 汽蚀压力（Pa）

h 局部薄膜厚度（m） 无量纲压力，p / p0