Влияние капиллярной адгезии на скольжение цилиндра по поверхности упругого тела с учетом гистерезиса смачивания

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена контактная задача об установившемся скольжении жесткого цилиндра по упругому полупространству при наличии менисков жидкости с учетом гистерезиса угла смачивания, который приводит к различным условиям адгезии на входе в контакт и на выходе из него. Задача рассмотрена в плоской постановке и решалась методом сведения к задаче Римана–Гильберта. Получено аналитическое выражение для контактного давления и система из четырех уравнений для численного определения координат концов области контакта и зон менисков. Проведен расчет в диапазоне входных параметров, соответствующих ситуации, когда скользящий цилиндр моделирует отдельный выступ шероховатой поверхности. Исследованы распределение контактного давления, размер области контакта и ее смещение относительно оси симметрии цилиндра, ширина менисков на входе в контакт и выходе из него, а также сила трения, обусловленная капиллярной адгезией. Установлено, в частности, что сила трения существенно зависит от величины гистерезиса угла смачивания, и особенно от поверхностного натяжения жидкости, но слабо зависит от капиллярного давления в менисках, которое в условиях термодинамического равновесия мениска со средой определяется влажностью окружающего воздуха.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. Ю. Маховская

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: makhovskaya@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Bhushan B., Dugger M.T. Liquid-mediated adhesion at the thin film magnetic disk/dlider interface // J. Tribol. 1990. V. 112. № 2. P. 217–223. https://doi.org/10.1115/1.2920244
  2. Tian H., Matsudaira T. Effect of relative humidity on friction behavior of the head/disk interface // IEEE Trans. Magn. 1992. V. 28. № 5. P. 2530–2532. https://doi.org/10.1109/20.179546
  3. Maboudian R., Ashurst W.R., Carraro C. Tribological challenges in micromechanical systems // Tribol. Lett. 2002. V. 12. P. 95–100. https://doi.org/10.1023/A:1014044207344
  4. Klaassen M., de Vries E.G., Masen M.A. The static friction response of non-glabrous skin as a function of surface energy and environmental conditions // Biotribology. 2017. V. 11. P. 124–131. https://doi.org/10.1016/j.biotri.2017.05.004
  5. Maugis D., Gauthier-Manuel B. JKR-DMT transition in the presence of a liquid meniscus // J. Adhesion Sci. Technol. 1994. V. 8. № 11. P. 1311–1322. https://doi.org/10.1163/156856194X00627
  6. Maugis D. Adhesion of spheres: The JKR-DMT transition using a Dugdale model // J. Colloid Interface Sci. 1992. V. 150. № 1. P. 243–269. https://doi.org/10.1016/0021-9797(92)90285-T
  7. Горячева И.Г., Маховская Ю.Ю. Контактирование упругих тел при наличии капиллярной адгезии // ПММ. 1999. Т. 63. Вып. 1. С. 128–137.https://doi.org/10.1016/S0021-8928(99)00017-9
  8. Makhovskaya Yu. Yu., Goryacheva I.G. The combined effect of capillarity and elasticity in contact interaction // Tribology Inter. 1999. V. 32. № 9. P. 507–515. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(99)00080-8
  9. Горячева И.Г., Маховская Ю.Ю. Адгезионное взаимодействие упругих тел // ПММ. 2001. Т. 65. Вып. 2. С. 279–279. https://doi.org/10.1016/S0021-8928(01)00031-4
  10. Goryacheva I.G., Makhovskaya Y.Y. Capillary adhesion effect in contact interaction of soft materials // Contact Problems for Soft, Biological and Bioinspired Materials. 2022. P. 73–92. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85175-0_4
  11. Fan H., Gao Y.X. Elastic solution for liquid-bridging- induced microscale contact // J. Appl. Phys. 2001. V. 90. № 12. P. 5904–5910. https://doi.org/10.1063/1.1415057
  12. Маховская Ю.Ю. Капиллярная адгезия упругих тел в условиях частичного проскальзывани // ПММ. 2022. Т. 86. № 2. С. 235–250. https://doi.org/10.31857/S0032823522020072
  13. Чекина О.Г. О трении шероховатых поверхностей, разделенных тонким слоем жидкости // Трение и износ. 1998. Т. 19. № 3. С. 306–311.
  14. Popov V.L., Lyashenko I.A., Starcevic J. Shape of a sliding capillary contact due to the hysteresis of contact angle: Theory and experiment // Facta Universitatis, Series: Mechanical Engineering. 2021. V. 19. № 2. P. 175–185. https://doi.org/10.22190/FUME201221005P
  15. Маховская Ю.Ю. Скольжение вязкоупругих тел при наличии адгезии // ПММ. 2005. Т. 69. Вып. 2. С. 334–344.
  16. Carbone G., Mangialardi L. Adhesion and friction of an elastic half-space in contact with a slightly wavy rigid surface // J. Mech. Phys. Solids. 2004. V. 52. № 6. P. 1267–1287. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2003.12.001
  17. Горячева И.Г., Губенко М.М., Маховская Ю.Ю. Скольжение сферического индентора по вязкоупругому основанию с учетом сил молекулярного притяжения // ПМТФ. 2014. Т. 55. № 1. С. 99–107.
  18. Галин Л.А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. М.: Наука, 1980. 303 с.
  19. Горячева И.Г. Контактная задача качения вязкоупругого цилиндра по основанию из того же материала // ПММ. 1973. Т. 37. Вып. 5. С. 925–933. https://doi.org/10.1016/0021-8928(73)90017-8
  20. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 398 с.
  21. Gao L., McCarthy T.J. Contact angle hysteresis explained // Langmuir. 2006. V. 22. № 14. P. 6234–6237. https://doi.org/10.1021/la060254j

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 2. Распределение контактного давления при γ(E*R) = 7.3 · 10-4, P/(E*R2) = 0.02, Δф = π / 3 и различных значениях параметра p0 /E* = 0.10 (кривые 1, 1') и 0.15 (кривая 2). Кривые 1 и 2 соответствуют Δф = π / 2, кривая 1' — Δф = 0

Скачать (56KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Схема скольжения цилиндра по упругому полупространству при наличии капиллярной адгезии

Скачать (66KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Распределение контактного давления при γ(E*R) = 7.3 · 10-4, P/(E*R2) = 0.02, Δф = π / 3 и различных значениях параметра p0 /E* = 0.10 (кривые 1, 1) и 0.15 (кривая 2). Кривые 1 и 2 соответствуют Δф = π / 2, кривая 1 — Δф = 0

Скачать (56KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Распределение контактного давления при γ(E*R) = 1.5 · 10-4, p0 /E* = 0.8, Δф = π / 3 и Δф = π / 2. Кривые 1, 2, 3 соответствуют P/(E*R2) = 0.02, 0 и -0.005

Скачать (71KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Ширина области контакта (а) и ее смещение (b) в зависимости от нормальной нагрузки при отсутствии жидкости (кривая 1) и при наличии менисков с параметрами p0 /E* = 0.75, γ(E*R) = 10-3 и различных Δф = π / 2 (кривые 2), Δф = π / 4 (кривые 3), Δф = 0 (кривая 4). Кривые 2 построены при p0 /E* = 0.75, Δф = π / 2, γ(E*R) = 5 · 10-3

Скачать (78KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Ширина менисков на выходе из контакта (a1 – a)/R (кривые 1–3) и на входе в контакт (b1 – b)/R (кривые 1–3) в зависимости от гистерезиса угла смачивания при γ(E*R) = 1.5 · 10-4 (кривые 1, 1, 2 и 2) и γ(E*R) = 3 · 10-4 (3 и 3), а также при p0 /E* = 0.8 (кривые 1 и 1) и p0 /E* = 0.5 (кривые 2, 2, 3 и 3)

Скачать (67KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Сила трения в зависимости от гистерезиса угла смачивания при p0 /E* = 0.8, Р = 0 и различных γ(E*R) = 1.5 · 10-4, 3 · 10-4 и 5 · 10-4 (кривые 1–3 соответственно)

Скачать (72KB)
Метаданные
9. Рис. 7. Коэффициент трения в зависимости от нормальной нагрузки при Δф = π / 4 (кривая 1) и Δф = π / 2 (кривые 2, 2, 2), при p0 /E* = 0.75 (кривые 1, 2, 2) и p0 /E* = 0.15 (кривая 2), а также при γ(E*R) = 10-3 (кривые 1, 2, 2) и γ(E*R) = 5 · 10-3 (кривая 2)

Скачать (62KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024