基于分形几何理论的粘着磨损模型

在对Ｍ－Ｂ接触分形模型改进的基础上,根据阿查得粘着磨损理论导出了基于分形参数的粘着磨损模型。根据该模型可知,当分形维数在某一范围时,磨损率随分形维数的减小崦迅速增大;而在另一范围内,磨损率随分形维数的增大而增大;当分形维数等于１．５时,磨损率达到最小值。当分形维数一定时,磨损率随尺度系数、磨损概率增大而增大,随材料性能参数的减小而增大;当其余各影响参数保持一定值时,磨损率随接触面积的增大而增大。     

分形特征表面接触磨损模拟

为实现粗糙表面微观接触磨损的精确预测,根据分形理论对传统的只考虑弹性-塑性两状态的二维分形接触模型进行了修正,并构建了包含弹性-弹塑性-塑性完全状态的三维粗糙表面分形接触模型.通过去除塑性接触微凸体在截断平面作用下形成的球台方法来模拟微观磨损,磨损系数由被去除的球台体积与总接触微凸体体积之比来表征,采用数值仿真分析了磨损系数与分形参数、载荷和材料等因素间的依赖关系.计算结果表明,磨损系数随表面粗糙程度的增大而增大,随接触载荷的增大而减小并趋于相对稳定.接触副材料属性决定了微凸体临界接触面积,进而影响了磨损系数.该模型给出了微观磨损机理的数学描述,为界面接触磨损研究提供了新思路.     

固定结合面切向接触阻尼分形模型

基于三维接触分形理论和固定结合面切向接触阻尼耗能机理,建立了考虑弹塑性接触变形机制的固定结合面切向接触阻尼分形模型。模型仿真结果表明:切向接触阻尼会随着法向接触载荷的增大而增大;当表面分形维数小于等于2.5时,切向接触阻尼会随着分形维数的增大而增大;当表面分形维数大于2.5时,切向接触阻尼会随着分形维数的增大而减小。模型仿真结果也揭示了分形粗糙度尺度参数、塑性指数和摩擦因数对切向接触阻尼的影响。     

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.     

两弹塑性非赫兹接触粗糙表面温升的分形模型

针对赫兹接触理论存在的3个缺陷,考虑表面粗糙度和塑性变形,适当处理接触物体交界面处的摩擦,将赫兹接触理论以更符合实际的方式推广到滑动接触．采用球形微凸体的赫兹接触理论和MB修正模型,对微接触点的温升进行了分析,得到了低速滑动区域内的分形区域实际接触面积温升的补充累积概率分布函数的封闭形式表达式．分析结果表明：分形区域的最大温升随滑动速度增大而线性增大,非零域随滑动速度增大而扩展．对于固定的量纲一分形粗糙度参数,最大温升随分形维数增大而减小;对于固定的分形维数,最大温升随量纲一分形粗糙度参数增大而增大．温升的补充累积概率分布函数随滑动速度增大而增大,随分形维数增大或量纲一分形粗糙度参数减小而减小．平均温升为最大温升的0．4023倍,温升的标准差为最大温升的0．24倍．     

结合面切向接触等效黏性阻尼分形模型

基于MB接触分形理论、结合面切向接触阻尼耗能机理以及阻尼损耗因子的定义,建立了结合面切向接触等效黏性阻尼的分形模型及其损耗因子模型。所建模型表明,结合面切向接触等效黏性阻尼与结合面法向接触载荷、摩擦系数、材料塑性指数、结合面上的切向动态载荷幅值与法向接触载荷之比(简称切法向载荷比)、结合面分形维数以及分形粗糙度参数之间具有复杂的非线性关系,而结合面切向接触阻尼损耗因子与结合面分形维数和分形粗糙度参数无关,仅与切法向载荷比和摩擦系数有关。模型的仿真结果表明,结合面切向接触阻尼损耗因子随着切法向载荷比的增大而增大,随结合面摩擦系数的增大而减小;结合面切向接触等效黏性阻尼随着结合面法向接触载荷、摩擦系数、材料塑性指数的增大而增大,随着结合面分形粗糙度的增大而减小;结合面切向接触等效黏性阻尼随结合面分形维数的变化规律较为复杂,先随着分形维数的增大而增大,在分形维数值1.65附近出现最大值,而后随着分形维数的增大而减小。     

MB模型的修正及应用

由于MB模型存在3个缺陷,工程上会引入无法接受的误差.本文修正了MB模型的后两个缺陷.针对第2个缺陷,提出了实际临界接触面积、最小有效分形维数、量纲一的最大有效分形粗糙度参数、最小有效材料特性等术语.根据MB模型和提出的计算术语,对两弹塑性接触粗糙表面的接触行为及界面的静摩擦因数进行了研究.研究结果表明：界面的静摩擦因数首先随分形维数的增加而增加,然后随分形维数的增加而减小;界面的静摩擦因数随分形粗糙度参数的增加而减小,但随材料特性的增加而增加,也随总法向载荷的增加而增加;当分形维数较小或分形粗糙度参数较大或材料特性较小时,静摩擦因数-量纲一的总法向载荷曲线为凸弧.     

两弹性接触粗糙快速滑动表面温升的分形模型

采用球形微凸体的赫兹接触理论和MB模型,对微接触点的温升进行了分析,得到了快速滑动区域内的分形区域实际接触面积的温升概率分布密度、温升补充累积概率分布函数的封闭式表达式.分析结果说明:量纲一特定滑动区域的实际接触面积随量纲一最大Jaeger参数增加而单调减小.量纲一最大温升随分形维数增加而减小,但随分形粗糙度参数增加而增加.量纲一温升随分形维数增加而增加.当分形维数为1.5时,实际接触面积的温升概率分布密度等于在一个弹性微接触点面积上的温升概率分布密度,基于正八边形面积的近似解适当接近精确解.温升的补充累积概率分布函数随分形维数、滑动速度和量纲一分形粗糙度参数增加而增加.     

新的柔性结合部法向接触刚度和接触阻尼方程

以修正分形几何学理论和赫兹法向接触力学方程为基础,推导出了柔性结合部法向接触刚度与阻尼方程。假设峰元顶端的曲率半径为变量,提出了一种全新的求导函数而非偏导函数的求解方法,建立了单峰元与平面接触的法向接触刚度方程。数值模拟表明:峰元承担的法向弹性载荷与其顶端的变形量之间符合非线性幂函数凹弧关系;降低表面粗糙度或增加法向接触载荷都将增大实际接触面积;当表面粗糙轮廓分形维数在较小范围内时,实际接触面积随着表面粗糙轮廓分形维数的增加而增大,而当表面粗糙轮廓分形维数在较大范围内时,实际接触面积随着表面粗糙轮廓分形维数的增加而变小;降低表面粗糙度或增加表面粗糙轮廓分形维数与法向接触载荷皆将增加法向接触刚度;法向接触阻尼随着表面粗糙轮廓分形维数的增加先减小后增大;当表面粗糙轮廓分形维数小于临界值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增大而增大,而当表面粗糙轮廓分形维数超过转折点时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增大而减小;当法向接触载荷增大时,法向接触阻尼略微减小。     

界面损耗因子与法向阻尼的计算方法

基于赫兹法向接触力学方程与分形几何学理论对界面法向接触刚度进行分析,在改进原有计算模型的基础上,推导出界面法向接触刚度、损耗因子和法向接触阻尼计算方程.结果表明,所提出的计算方法能够较好地预测法向接触刚度、损耗因子和法向接触阻尼的变化规律.减小分形粗糙度和增大法向接触荷载均会使得法向接触刚度增大,而且随着分形维数的增大,法向接触刚度呈现出先增后减的变化趋势;增大分形粗糙度和降低法向接触荷载都会使得损耗因子升高,且损耗因子随着分形维数的增大而呈现出先减后增的变化趋势,当分形维数趋近于2时,损耗因子收敛于某一定值;法向接触阻尼随着分形维数的增大也呈现出先减后增的变化趋势,且其变化过程出现了2个拐点.当分形维数低于第1个拐点值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增加而增大;当分形维数超过第1个拐点值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增加而减小;当D≤1.4时,法向接触阻尼随着法向接触荷载的增大而减小;当D1.4时,法向接触阻尼随着法向接触荷载增大而增大.     

多重分形表面的弹塑性接触模型研究

提出了在多重分形接触表面的最大接触长度范围的接触点尺寸分布数，频率分布函数和实际接触面积的普遍表达式。这些表达式建立在对该类表面在不同临界频率范围内弹塑性接触变形方式的分析基础上，是研究多重分形接触表面的有关分形性质所必需的。当给定这些表面的诸如分维数和特征长度等分形参数时，利用这些表达式，可实现对任意多重分形表面诸如磨损等接触性质的研究，使对复杂的多重分形接触表面的研究变得相对容量进行。据此，以双分形表面为例，研究了其分形参数与磨损的关系。计算结果表明，双分形表面的磨损率会随着表面最大接触尺寸和分形区域界限频率的增加而增加。     

基于分形维数的刀具状态在线监测新方法

以分形几何理论为基础,对刀具不同磨损阶段声发射信号的分形特征进行了分析。提出了计算非完全分形体信号波形的关联维数时尺度范围的确定方法,分析了声发射信号在刀具磨缶过程中分形维数的变化特性。刀具磨损切削实验数据表明,声发射信号的分形维数受切削参数变化影响较小,分形维数反映了声发射信号的几何特征,其大小能较好地反映刀具的不同磨损状态。实验结果表明,该方法能正确地实时在线监测刀具的不同磨损状态。     

结合面静摩擦因数三维分形模型

摩擦磨损导致部分能源的消耗,且主要发生在接触区域,其接触特性依赖于接触表面之间的微观弹塑性变形.本文在三维接触分形理论的基础上,考虑微凸体的完全弹性和完全塑性阶段的变形机制,建立了结合面静摩擦因数的三维分形模型,推导了静摩擦因数f的解析解.通过仿真研究了分形维数D、无量纲分形特征尺度参数G＊以及无量纲法向总载荷P＊等因素对静摩擦因数的影响规律.结果显示,结合面静摩擦因数f先随着分形维数D的增大而增大,然后随着分形维数D的增大而减小;随着无量纲法向总载荷P＊的增大而增大;随着G＊的增加而减小.     

考虑弹塑性变形机制的结合面静摩擦因数模型

在三维接触分形理论的基础上,从理论上建立了一种考虑微凸体的完全弹性、弹-塑性和完全塑性三种变形机制的结合面静摩擦因数三维分形模型。该模型反映了结合面法向载荷、分形维数以及分形特征尺度参数对结合面静摩擦因数的影响。仿真结果表明,静摩擦因数f随着无量纲法向接触总载荷P*的增大而增大;分形维数D的增大,先增大后减小;无量纲分形特征尺度参数G*的增大而减小;考虑弹-塑性变形机制的结合面静摩擦因数小于不考虑弹-塑性变形机制的结合面静摩擦因数。     

Influence Factors of Fractal Characterization of Reciprocating Sliding Wear Surfaces

The principal purpose of this paper is to investigate influence factors of fractal characterization of reciprocating sliding wear surfaces. The wear testing was completed to simulate the real running condition of the diesel engine 8NVD48A-2U. The test results of wear surface morphology dimension characterization show that wear surface profiles have statistical self-affine fractal characteristics. In general, there are no effects of the profilometer sampling spacing and sampling length and evaluation length on the fractal dimensions of the surfaces. However, if the evaluation length is too short, the structure function logarithm of the surface profile is scattered. The sampling length acting as a filter is an important part of the fractal dimension measurement. If the sampling length is too short, the evaluation of the fractal dimension will have a larger standard deviation. The continuous wavelet transform can be used to improve surface profile dimension characterization.     

Al-SiCp复合材料磨损表面分形维数的研究

旨在通过对SiCP增强Al基复合材料磨损表面的分形研究,更深入研究亚微米SiCP增强Al基复合材料的摩擦磨损特性与分形维数的关系。按照结构函数法,用MATLAB软件进行编程,得到复合材料双对数坐标图。研究标明,亚微米SiCP增强Al基复合材料的具有分形特性,且其分形维数与材料的磨损量有关,随着磨损量的增加,分形维数亦趋于增大。     

混凝土中孔结构的分形维数研究

建立了分形模型来模拟水泥浆体的空间结构,在此基础上推导出了孔体积分形维数D和孔隙率P、孔径分布的关系式;根据所得公式预测混凝土的孔体积分形维数D在0到3之间,并且D值随孔隙率减小和孔径分布范围变宽而增大.同时运用压汞法(M IP)测定普通硅酸盐混凝土的孔结构,进行孔体积分形维数计算,发现孔体积分形维数与强度之间有比较好的相关性.     

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.