表面微凸体形态对三体摩擦界面间隙的影响

为了研究颗粒介质三体摩擦界面间隙变化规律,文章利用显式有限单元法建立了具有不同微凸体形态表面的二维平行板剪切模型,利用该模型分析了法向载荷、接触摩擦因数对三体摩擦界面间隙的影响。分析结果表明:随载荷增加,尖锐微凸体模型中界面间隙呈减小趋势,圆滑微凸体模型中界面间隙保持不变;2个模型中界面间隙均随接触摩擦因数增加而变大,但变化幅度并不一致,剪切过程中颗粒体系的稳定性与其分布形态结构和颗粒间摩擦力密切相关。     

基于热力耦合的滑动摩擦系数模型与计算分析

为预测和控制摩擦过程,通过分析界面原子在界面势能场激励下的热振动,建立了基于摩擦界面热力耦合过程的滑动摩擦系数计算模型.计算分析表明:滑动摩擦系数随相对滑动速度增大而增大;当摩擦界面实际接触面积与载荷呈线性关系时,滑动摩擦系数与接触面积无关;当实际接触面积接近名义接触面积时,滑动摩擦系数随载荷的增加而减小;此外,滑动摩擦系数随晶格常数增大而降低,随原子质量减小而减小.     

粗糙机械结合面的接触刚度研究

为准确进行计入粗糙接触界面影响的组合结构动力分析,基于弹塑性理论对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析,给出了根据受力和变形关系计算粗糙表面接触刚度的方法,得到了不同载荷作用下的法向和切向界面接触刚度.计算结果表明:表面形貌造成的接触应力分布不均匀和局部塑性变形导致法向界面接触刚度随着压力的增加先增大后减小,并随着表面粗糙度的增加而降低;切向界面接触刚度随着法向载荷和摩擦系数的增加而增加,随着切向载荷的增加而减小.当切向载荷增加到一定值时,接触界面将由微观滑移转化为宏观滑动,摩擦界面连接失效.     

基于热力耦合的摩擦系数计算模型与仿真研究

基于界面摩擦过程中摩擦功耗散为界面原子热振动的原理,通过对界面原子在界面势能场激励作用下热振动分析,建立了基于摩擦界面热力耦合过程的滑动摩擦系数计算模型。仿真分析表明：滑动摩擦系数随摩擦速度增加而增高;当摩擦界面实际接触面积与载荷成线性关系时,摩擦系数与接触面积无关,当实际接触面积接近名义接触面积时,摩擦系数随载荷的增加而降低;此外,滑动摩擦系数随晶格常数增大而降低,随原子质量减小而升高。     

考虑微凸体弹塑性过渡变形机制的结合面法向接触刚度分形模型

摘要： 基于粗糙表面微凸体变形的连续性和光滑性原理,研究了在法向载荷逐渐增加时的粗糙表面单个微凸体弹塑性过渡变形机制,提出了考虑弹塑性过渡变形机制的结合面微凸体微观接触模型,建立了法向接触载荷和法向接触刚度的数学模型;基于分形几何理论,建立了结合面法向接触刚度的分形模型,并对结合面法向接触刚度进行仿真计算.结果表明：在较小的塑性指数条件下,法向接触载荷与法向接触刚度近似呈线性关系;在较大的塑性指数条件下,法向接触载荷与法向接触刚度呈非线性关系;法向接触刚度随着分形维数和法向接触载荷的增加而增大,随着无量纲分形特征尺度系数的增大而减小;所得结合面法向接触刚度的仿真计算值与铣削加工和磨削加工条件下的实验值较吻合.     

振动引起的界面切向相对运动对摩擦的影响

为了研究接触界面振动对摩擦的影响, 自主设计实验装置, 以在振动台上匀速滑动的滑块为对象, 采用理论与实验相结合的方法, 分析法向振动和切向振动引起界面切向运动减摩的机理。实验结果表明, 振动台的法向振动和切向振动经常同时存在。当界面振动, 且滑块与振动台之间的切向相对速度方向不变时, 滑块受到的平均滑动摩擦力与无振动时相同, 没有减摩作用; 当滑块与振动台之间切向相对速度的方向发生周期性变化或存在stick-slip (黏滑)时, 与无振动时相比, 滑块的平均滑动摩擦力有明显的减摩作用。根据Coulomb摩擦定律建立动力学模型进行仿真, 仿真结果与实验结果非常吻合, 说明在界面运动为已知的条件下, Coulomb摩擦模型能够反映界面间的摩擦作用。实验和仿真结果表明, 当法向振动和切向振动同时存在时, 振动引起的界面切向相对运动造成摩擦力方向的周期性变化或stick-slip是减摩的主要原因。     

基于Kelvin振子的界面摩擦系数计算方法

为了解决界面摩擦系数计算方法问题,假设接触界面的摩擦能量以声子的形式向外传播,因此接触界面微观振子所耗散的能量等于宏观界面向外传递的热能,应用等效阻尼方法可求出等效黏性阻尼;同时提出了Kelvin振子摩擦耗散模型,通过此模型得到表面能变化的损耗率;最后应用"鹅卵石"模型求出摩擦系数.采用此公式计算的结果与前苏联学者Крагепьский等提出的摩擦系数与相对滑动速度试验中极大载荷情况下的摩擦系数变化趋势非常相似.另外,摩擦力计算公式所得数值与Lantz等利用超高真空原子力显微镜研究硅探针在NbSe2试样表面接触和摩擦时的试验结果比较接近.因此证明了此摩擦系数计算公式具有一定的可靠性.     

刚度连续、单调且光滑变化的粗糙界面法向弹塑性接触模型

提出一种新的基于低阶椭圆曲线方程的微凸体法向弹塑性接触刚度模型。进一步基于粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson统计模型和微凸体高度分布概率密度函数,推导整个粗糙界面接触刚度和接触载荷表达式,建立粗糙界面接触的总刚度模型,并将模型计算结果与实验测量结果进行对比分析。研究结果表明:该模型考虑粗糙界面的弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形接触状态,且同时满足不同接触状态之间微凸体的接触刚度、接触载荷和接触面积均连续、单调且光滑变化的条件,克服了以往模型存在的接触刚度非连续、非单调的缺点;本文建立的粗糙界面接触刚度模型有效。     

弹塑性接触粗糙表面切向载荷-位移模型

针对在法向载荷和切向载荷联合作用下粗糙表面的接触问题,建立了一种同时考虑微凸体弹性接触和塑性接触的接触界面切向载荷-位移新模型。对弹性接触的微凸体,采用Hertz弹性理论描述法向接触载荷-变形关系,采用Mindlin微观滑移理论解描述切向载荷-位移关系;对塑性接触的微凸体,采用Abbott和Firestone塑性接触理论描述法向接触载荷-变形关系,在切向采用Fujimoto模型的切向载荷-位移关系。利用概率统计分析方法,建立了整个粗糙表面切向载荷-位移关系。将模型与仅考虑微凸体弹性接触情况的模型进行了对比,研究了不同模型参数对切向载荷-位移关系的影响。结果表明:考虑微凸体弹塑性接触的模型能够更好地描述粗糙表面切向载荷-位移关系;微凸体高度分布密度函数的方差增大,相同平均接触距离下,切向载荷-位移关系受塑性接触微凸体的影响增大;方差相同时,平均接触距离增大,切向载荷-位移关系的斜率增大。     

结合面法向动态参数的分形模型

为了对结合面法向动态参数进行正确的理论计算,以分形接触理论为基础,建立了结合面法向动态参数的理论分形模型,揭示了接触刚度和接触阻尼与作用在粗糙表面上的法向载荷、粗糙表面材料性能常数,以及分形参数等因素之间的复杂关系,并对该模型进行了数值仿真.仿真结果表明:结合面的实际接触面积仅占名义接触面积的一小部分,降低表面粗糙度或增加法向载荷都将增大实际接触面积;接触刚度和接触阻尼与分形参数之间具有较强的非线性关系,而法向栽荷对接触刚度的影响较为明显,当栽荷增加时,刚度值也随之增大,但对接触阻尼的影响可以忽略.     

用能量方法计算滑动摩擦力的研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出一个用能量方法计算弹性接触光滑界面滑动摩擦力和摩擦系数的方法,并根据计算结果研究摩擦力和摩擦系数与摩擦副各种参数之间的关系.通过研究指出两摩擦副界面原子失稳跳跃后在平衡位置附近相对摆动是机械能耗散的关键.研究表明随着接触峰高度的增加摩擦力和摩擦系数也增加,当超过某个临界值时,摩擦力和摩擦系数基本上不再增加,此时能量方法与Bowden黏附摩擦理论公式计算值相近.     

一种考虑微凸体法向弹塑性接触的粗糙面力学模型

提出一种考虑微凸体弹塑性变形影响的接触载荷、接触面积的粗糙表面法向接触力学模型.将微凸体的接触变形分为3种状态,对完全弹性和完全塑性变形阶段分别采用Hertz弹性接触理论和AF塑性接触模型进行建模,并采用一阶幂指数函数描述混合弹塑性阶段的接触载荷和实际接触面积与接触变形之间的关系,再采用数理统计分析的方法建立了粗糙表面法向弹塑性接触模型.将此模型与完全弹性模型、CEB模型、ZMC模型、KE模型对比,研究了塑性指数对粗糙面接触载荷-平均接触距离的影响.结果表明,该模型能够更好地描述微凸体法向接触载荷与接触变形的变化趋势,模型预测的粗糙表面法向载荷与ZMC和KE模型具有较好的一致性;随着平均接触距离的增加,粗糙面接触载荷逐渐减少;随着塑性指数的增加,不同模型预测的法向接触载荷差异逐渐增大.     

螺栓固结界面接触刚度的虚拟材料建模

提出一种基于统计学模型的粗糙接触界面虚拟材料建模方法,将螺栓固结界面等效为局部的虚拟材料,虚拟材料与两侧接触基体固定连接。基于螺栓固结界面粗糙形貌的Greenwood-Williamson统计学模型描述,推导虚拟材料的弹性模量、泊松比、密度和厚度等材料参数的解析表达式,建立虚拟材料的材料参数与粗糙界面属性参数之间的关系式,分析螺栓固结界面的表面粗糙形貌、基体材料属性对虚拟材料的材料参数和界面接触刚度的影响特性。采用模态实验测试和基于虚拟材料的有限元仿真分析方法,验证粗糙接触界面虚拟材料建模方法的准确性。研究结果表明:虚拟材料的材料参数与法向载荷、界面粗糙度和接触基体弹性模量相关:随法向载荷和基体弹性模量的增加,虚拟材料的弹性模量增大,泊松比和厚度减少;随界面粗糙度的增加,弹性模量和泊松比减少,而厚度增大。螺栓固结界面接触刚度随法向载荷增大而递增,随界面粗糙增大而减小。     

一种结合面法向接触刚度计算模型的构建

摘要：
为了预测2个固体粗糙表面接触时结合面的法向接触刚度,采用分水岭分割方法获得了粗糙表面三维微凸体的尺寸与空间分布;基于弹塑性接触理论推导出单对微凸体侧接触时接触载荷与接触变形的关系,并通过确定粗糙表面上每个微凸体的变形类型与接触载荷,计算了结合面的法向接触刚度.将计算结果与实验结果进行比较,验证了该方法的有效性.
关键词：
粗糙表面; 形貌; 侧接触; 法向接触刚度
中图分类号： O 343.3
文献标志码： A     

接触式机械密封摩擦端面接触状态的仿真分析

为了准确揭示接触式机械密封摩擦端面的真实接触状态,基于三维分形表面的W-M函数描述软质环密封端面的粗糙行为.通过Mathematica软件生成的粗糙表面数据点,在ANSYS中进行粗糙表面实体的建模以及接触有限元分析.得到在外载荷作用下的真实接触面积,与M-B分形接触模型进行比较,变化趋势吻合较好.研究结果表明,随着外载荷的增加,真实接触面积呈非线性增加.该研究方法为进一步研究机械密封摩擦端面的摩擦热、磨损以及接触间隙等问题提供了新途径.     

粗糙表面切向接触模型的数值分析与实验研究

为了预测关节界面切向运动特性,提出了一种基于KE(Kogut和Etsion)法向接触理论和Iwan模型的粗糙表面切向接触模型。通过考虑粗糙表面间发生切向运动的本构方程与Iwan模型进行对比,推导出一种基于可测量物理参数的摩阻片临界滑移力的概率分布函数。设计一种微动实验装置,三向力称重传感器和同轴激光可以实时同步测量关节界面的力和位移,压力垫圈实时监控微动过程螺栓预紧力的变化,从而获得精准有效的界面微动迟滞环。对获得的微动环进行分析表明：经过数个周期之后,测得的迟滞环形状趋于稳定;预紧力对关节切向刚度的变化具有较大的影响;连接界面达到大滑移之后,Q235摩擦副最大切向力几乎保持不变,而铝合金摩擦副最大切向力有小幅下降。进一步利用Masing准则,在临界滑移力概率分布函数的基础上推导加载和卸载过程的本构方程,将数值计算结果与实验结果进行比较,验证模型的有效性。研究结果可为实际工程中预测和分析机械组件的运行可靠性提供参考。     

双粗糙表面接触模型中微观摩擦系数的确定

通过考察双粗糙表面接触模型中微观摩擦系数的取值对接触表面的法向变形与法向载荷关系的影响,研究了磨削表面接触模型中微观摩擦系数的取值问题。采用表面轮廓仪测量磨削表面的轮廓数据,然后建立二维弹塑性有限元模型,计算不同微观摩擦系数时试样的法向变形与法向载荷关系。计算结果表明,接触表面间的微观摩擦系数对低面压下的接触变形影响比较大,载荷比较高的时候,摩擦系数的取值并不显著影响接触变形。在微观摩擦系数不为零时,法向变形与法向载荷关系曲线存在一个下陷区,摩擦系数越小,下陷区越小。与实验结果对比,发现忽略摩擦系数的计算结果与通过实验获得的法向变形与法向载荷关系最为接近,双粗糙表面接触模型中忽略微观摩擦系数比较合适。此外还根据计算结果研究了微观摩擦系数的取值对最高接触应力和真实接触面积的影响,发现忽略微观摩擦时,接触应力水平降低,真实接触面积有减小的趋势。     

平面结合面切向接触阻尼分形模型及其仿真

基于接触分形理论和结合面接触阻尼耗能机理,以及球体与平面接触时的阻尼耗能理论,建立了平面结合面切向接触阻尼的分形模型,通过数值仿真直观揭示了平面结合面切向接触阻尼耗能与结合面法向载荷以及结合面表面粗糙轮廓分形维数之间的非线性关系.仿真结果表明:平面结合面切向接触阻尼的耗能随着结合面法向载荷的增大而减小;当结合面表面粗糙轮廓分形维数小于等于1.2时,平面结合面切向接触阻尼耗能随结合面表面粗糙轮廓分形维数的增大而增大;当结合面表面粗糙轮廓分形维数大于1.2时,平面结合面切向接触阻尼耗能随结合面表面粗糙轮廓分形维数的增大而减小.仿真结果验证了模型的有效性.     

考虑隧道表面特性的硬岩全断面掘进装备撑靴接触界面刚度分析

采用修正的各向同性三维分形表面的W-M函数构造隧道掘进机掘进后的隧道粗糙表面;考虑法向支撑载荷作用和岩石在压缩载荷下的失效机制,建立了掘进机撑靴与岩石粗糙表面法向接触刚度模型.研究变载荷工况下,不同粗糙隧道表面特性与掘进机撑靴接触界面刚度特性变化规律.结果表明:岩石的失效对接触刚度特性影响明显,相同的载荷下,岩石的失效会带来接触刚度的减小;当岩石弹性模量相同时,接触刚度随着硬度的增大而增大;当岩石硬度相同时,接触刚度随着弹性模量的增加而减小;随着外部载荷的增加,粗糙表面的接触刚度随之增加,而表面粗糙度的增大会引起界面接触刚度相应减小.     

微型滚珠丝杠副摩擦力矩模型的建立与实验验证

为了可以快速且准确地预测微型滚珠丝杠副的能量损耗与温升速率,建立了新的摩擦力矩模型.首先基于微型滚珠丝杠副的摩擦机理,利用力与力矩平衡的方法求得滚珠与滚道接触界面间的摩擦力,该方法比通过对接触区域上的切应力积分求解摩擦力的方法更简单方便,易于编程实现;其次考虑自旋滑动摩擦及螺旋升角的影响,推导出微型滚珠丝杠副的摩擦力矩...