汽车制动过程中摩擦层结构的发展及其对摩擦性能的影响

汽车制动过程中摩擦材料和摩擦盘表面形成摩擦层,摩擦层的组成和结构与摩擦材料的本体组成和结构不同.摩擦层结构的生成与破坏过程即摩擦层结构的发展是理解摩擦材料组成和摩擦性能关系的桥梁.本文综述了汽车制动过程中摩擦层形成的两种主要机理：磨屑聚集和物质选择性转移,分析了这两种机理在摩擦材料表面形成摩擦层结构生成与破坏的发展过程,讨论了摩擦层结构发展对摩擦系数和磨损率的影响.     

页岩圆盘压裂的理论分析与试验研究

结合我国南方海相页岩气藏的实际,针对页岩储层岩石力学性质与一般致密砂岩、碳酸盐岩相比的特殊性,对其进行了圆盘压裂试验和单轴压缩试验.圆盘压裂是一种间接测量岩石抗拉强度和弹性模量的试验方法,其理论基础是受压圆盘的应力和位移的弹性理论解.对于接触载荷分别为均匀、余弦函数和线性分布三种情形,给出了抗拉强度和弹性模量的计算公式.再使用试验数据,得到了页岩试样的抗拉强度和弹性模量.分析表明接触载荷的分布形式对抗拉强度影响很小,而对弹性模量值的影响较大.此外,还进行了取自相同深度岩芯的小圆柱试样单轴压缩试验,测得了页岩的抗压强度值,所得弹性模量与圆盘压裂试验相应结果基本一致,从而佐证了本文理论分析和试验方法的正确性.     

大载流高速滑动电接触表面瞬态温度分析

高速滑动过程中接触表面瞬态高温会改变接触表面环境,烧蚀接触表面,加重摩擦磨损.本文针对大载流下高速滑动电接触表面瞬态温度场进行测量与分析研究,结合传热学和有限元基本理论,对接触表面瞬态温度场进行热分析,建立温度场计算模型,研究了不同热源对接触表面温度场的影响.利用高速滑动电接触试验机,采用非接触式辐射测温方法,对大载流高速滑动电接触瞬态温度进行测量,并将实际测量数据与有限元模拟结果相结合,验证了仿真模型的正确性,进一步分析了滑动速度及电流载荷的变化对接触表面温度场的影响.本文对大载流高速滑动电接触表面温度场的研究结果,为如何降低接触表面温度、选择合适接触材料以及减小损耗等提供了技术依据.     

现代有轨电车嵌入式轨道复合地基优化分析

为分析有轨电车嵌入式轨道复合地基关键参数并获得最优参数组合,采用有限单元法,建立嵌入式轨道复合地基计算模型.在既有研究的基础之上,采用正交试验方法研究了道床板厚度、支承层厚度、桩身弹性模量、桩径、桩纵向间距这5个关键影响因素对嵌入式轨道复合地基受力和变形的影响,并分别采用极差分析和方差分析对计算结果进行了分析,从而得到了关键影响因素和最优参数组合.结果表明:采用正交试验方法,可以在保证分析结果正确性的基础之上大大减少试验次数;桩身弹性模量对钢轨竖向位移影响最大,支承层厚度对道床板纵向弯矩影响最大,桩径对钢轨竖向位移影响较大;桩纵向间距对钢轨竖向位移、轨道纵向弯矩和支承层纵向拉应力的影响均极显著,故在确定桩纵向间距取值时,应综合考虑轨道结构的服役性能和复合地基的工程造价;最佳有轨电车嵌入式轨道水泥土搅拌桩复合地基设计方案为道床板厚度0.20 m、支承层厚度0.26 m、桩身弹性模量280 MPa、桩径0.75 m、桩纵向间距1.40 m.本研究成果对有轨电车嵌入式轨道复合地基设计具有参考价值.     

冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统动力特性研究

应用ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型板式轨道-路基动力分析模型,计算了在落轴冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统的动力响应,并将仿真计算结果与试验结果进行了对比,验证了模型的可靠性.在此基础上,研究了扣件刚度、路基基床弹性模量、自密实混凝土弹性模量以及长期服役状态下混凝土弹性模量的降低对轨道-路基系统动力特性的影响规律.结果表明:扣件刚度对各部件振动加速度影响较大,路基基床弹性模量对其影响较小;轨道结构在服役过程中混凝土弹性模量的降低会引起轨道板加速度有较大的增幅,应引起重视.     

磁致伸缩薄膜-基底悬臂梁系统的弯曲特性研究

从基本力学平衡方程出发获得了任意薄膜厚度的磁膜-基底悬臂梁系统弯曲问题的严格解, 研究了悬臂梁系统作为弯曲型微传感器件的应用优化问题, 并重点分析了构成悬臂梁的两种材料的几何参数和物理参数对悬臂梁自由端最大挠度值的影响. 结果表明: 在基底厚度确定的情形下, 当磁膜/基底的弹性模量比值增加时, 悬臂梁自由端挠度的最大值增大, 但对应挠度最大值的最优厚度比值则减小; 而当悬臂梁的总尺度确定时, 系统的挠度最大值与磁膜和基底材料的弹性模量和Poisson比无关.     

混凝土材料非线性多轴动态强度准则

将广义非线性强度理论的4个材料参数转化为混凝土材料的基本强度参数,通过混凝土材料的基本强度特性,分析了4个材料参数的变化规律与取值范围.基于S准则建立了混凝土材料4个基本强度参数的率效应表达式,建立了混凝土材料的非线性多轴动态强度准则,分析了动态强度参数的率效应规律,结果表明,混凝土材料的强度特性随着应变率的提高,逐渐向金属材料的强度特性过渡,在应变率从-3~3,应变率对混凝土动态强度的影响较大,并且动强度不是随着应变率的提高无限增大的,而是存在动强度峰值.通过与3组双轴压-压和2组双轴拉-压动态加载时混凝土材料试验结果的比较,表明非线性多轴动态强度准则可较好地描述混凝土材料双轴动强度规律.在同一应变率下,可较好地描述强度的非线性特性;不同应变率下,动强度面互不相交,即应变率效应与多轴应力状态对强度规律不存在耦合影响.     

软指接触约束的线性化和它在多指手动态力分配中的应用

当前多指抓取力封闭分析和动态力分配算法多借助于线性规划, 而摩擦模型却是非线性的. 用棱锥替代库仑摩擦圆锥, 实现了摩擦点接触的线性化, 但对软指接触至今仍束手无策. 提出了软指接触约束的线性化方法, 使上述各种高效算法能扩展到带软指的抓取. 这里先开发一个用于软多指抓取的最优力分配算法, 并举例说明.     

基于LS-DYNA的直齿轮动力学与关键技术研究

本文研究了LS-DYNA有限元分析软件对直齿轮进行动力学接触仿真分析中的关键技术;计算了齿轮副在啮合过程中齿面接触应力、应变的变化及分布情况;找出了齿轮接触最薄弱的部位并提出了修改建议。这对提高轮齿的接触强度和齿轮传递运动的平稳性具有重要意义。     

复层孔隙分布含油轴承的孔道渗流及润滑机制

含油轴承基体中油液的渗流行为对轴承油膜润滑性能影响显著.以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象,耦合分析轴承系统(包括轴承间隙和多孔轴承内部)的流体流动,基于Darcy定律描述油液渗流行为,并在极坐标下建立含油轴承系统的渗流润滑模型,研究轴承系统中油膜压力的分布规律,分析表面粗糙度、结构参数等对油膜润滑性能的影响.采用粉末冶金工艺制备不同表层孔隙率的复层含油轴承试样,在端面摩擦试验机上开展含油轴承的摩擦学实验,并对数值分析结果进行验证.结果表明,与普通单层含油轴承相比,不同孔隙率分布的复层含油轴承能阻止润滑油液渗入多孔介质,提高轴承润滑性能;随着综合表面均方根粗糙度增大,油膜润滑性能变好,随着表层厚度或表层渗透率增加,油膜润滑性能变差.摩擦实验与润滑理论分析具有相似的结论,验证了所建数值模型的可靠性.研究工作为明晰含油轴承渗流润滑机理及其影响机制提供一定理论依据.     

光滑粒子流体动力学（SPH）中摩擦接触的模拟

光滑粒子流体动力学（SPH）无网格法是岩土体崩塌与流动大变形计算的有力工具，但是，如何在SPH框架内模拟摩擦接触现象尚无系统方法，迫切需要开展研究．提出一种在SPH框架内模拟土与刚性或柔性结构摩擦接触的算法，该算法根据所存在的接触边界，将计算域分解为若干个子域，以接触力为桥梁在各子域间建立联系，最终实现接触问题的整体求解．在各子域内对土体的运动控制方程进行SPH离散时，修正了SPH固有的边界缺陷，使得位于接触边界附近的SPH粒子具有准确的加速度，保证了接触探测的精度．然后，假设允许土体SPH粒子局部侵入结构体，根据允许的残余侵入量，运用动量原理，计算沿接触面法向和切向的接触力，并应用滑移条件对切向力进行修正使其不超过极限摩擦力．与现有的在SPH中处理接触通常采用“粒子．粒子”接触或忽略摩擦滑移的方法相比，方法具有更高的计算效率和精度，适用于岩土材料与刚性或可变形结构之间相互作用的模拟．通过多个算例对此方法的精度和稳定性进行了验证，计算表明，基于接触算法的SPH计算成果与理论解或有限元解吻合很好，算法是有效的，可用于拓展SPH的计算能力与应用范围．     

淡水龙虾螯的结构及力学性能的研究

本文用X射线衍射仪、场发射电子显微镜和能谱仪分别分析和观察了龙虾螯的微观结构和成份,并用纳米压痕仪和UMT-2摩擦磨损实验机测量了龙虾螯的硬度和摩擦学特性.结果表明：龙虾螯含有Ca,Mg,C,O和Na等元素,以非晶的矿物质相存在.在螯的表面存在微小凹坑和半圆微凸起,在凹坑内和微凸起周围有刚毛,刚毛上有小刺,呈非光滑表面.螯被分为上表皮、外表皮和内表皮,其外表皮层和内表皮层是由螺旋夹板层构成.螯的表面硬度和弹性模量分别为0.27和5.28 GPa.随着横截面距离的增大,龙虾螯的硬度和弹性模量逐渐降低,存在明显的力学性能梯度.当热处理温度低于200°C时,螯的硬度和弹性模量变化不大,随后逐渐增加.在水润滑条件下,螯/氮化硅摩擦副的摩擦因数大于其干摩擦下的摩擦因数.该研究为抗压复合材料和抗摩表面的设计提供仿生学依据.     

堤坝溃决试验研究

近年来,由于在堤坝溃决的早期预警、应预案编制以基于风的堤坝设计方法等中的重要作用,堤坝溃决问题日渐受关注.本文介绍了在验室堤坝溃决试验中观察的堤坝溃决冲刷过程以试验分析结果.共进行了5组堤坝溃决试验,其中4组的试验材料为不同掺混比例的沙-粉沙-粘土混合料,另外1组试验材料为沙.试验堤坝高75 m,坝顶宽60 cm.试验结果示,＂陡坎＂冲刷（溯源冲刷）在由粘性混合土料填筑的堤坝溃决过程中扮演着非常重要的角色.在试验中观察了水流切冲刷、溯源＂陡坎＂表层流化、由溃决洪水射流冲击引起的＂陡坎＂基和＂陡坎＂的土力学坍失稳等冲刷象.对于沙质堤坝,其溃决过程主要由水流切冲刷主,其下游坝坡逐渐地、比较均匀地后移.沙-粉沙-粘土混合料中的粘性土部分极大地缓了堤坝溃决冲刷的速度.     

接触热阻预测的研究综述

本文对接触热阻的理论预测研究进行了较全面综述,针对其物理数学模型和模拟方法,及相关的表面几何形貌评价、微观力学变形分析和换热数学建模等方面.通过系统地分析和评述,提出了为实现接触热阻准确预测需解决的关键问题,并指出了进一步的研究方向,也利于人们对接触换热及其交叉学科问题的科学理解和工程应用.     

中主应力对岩石材料影响的机理及理论模型研究

利用颗粒离散元法分析了中主应力对岩石在真三轴条件下峰值应力、微裂纹数目变化、颗粒摩擦耗散能、破坏方式、微裂纹分布的影响.数值模拟再现了随中主应力增大,岩石材料强度先增大后减小的变化规律.细观层面,中主应力增大使得微裂纹在加载平面上投影由均匀变得不均匀.中主应力比b大于0.5,岩样在屈服阶段产生微裂纹显著增多,颗粒摩擦耗能增大非常明显.中主应力一方面抑制了法向沿中主应力方向(或存在该方向分量)的微裂纹的扩展,这将导致岩样强度的增加.另一方面,法向沿小主应力(或存在该方向分量)的微裂纹的扩展得到了促进,这导致岩样强度的减小.这种对不同方向微裂纹扩展的抑制或者促进作用导致岩样宏观强度呈现先增大后减小的变化规律.基于Weibull统计理论,建立了能反映岩石强度中主应力效应的概率统计强度模型.采用剪应力来表示计算强度,推导出一个新的能反映中主应力和材料不均匀性综合影响的强度准则.该准则可以视为Mohr-Coulomb准则的修正,当材料绝对均匀时该准则可以退化为Mohr-Coulomb准则.通过和真三轴压缩试验结果、数值模拟结果以及常用强度准则对比发现本文强度准则能很好地反映中主应力对岩石强度的影响规律.     

涂层层数对硬脆涂层构件结合强度的影响

涂层特性与厚度对涂层/基体结合强度的影响得到了广泛研究,然而涂层层数对涂层构件结构强度影响的规律却鲜有报道.应用有限元分析方法,探索了接触载荷条件下,多层硬脆涂层构件的应力分布基本规律.提出以最大剪切应力作为涂层构件结合强度的评价标准.通过比较有限元与赫兹接触精确解析解验证了模型的可靠性.讨论了涂层层数对涂层/基体界面最大剪切应力影响的关系.结果表明：随涂层层数的增加,涂层/基体的界面突变应力沿z轴向涂层表面靠近;而x方向的最大剪切应力随涂层层数的增加变化幅度趋于平缓.     

钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.     

ZnTe/ZnTe:Cu复合背接触层对CdTe太阳电池器件性能的影响

将真空共蒸发技术沉积的ZnTe/ZnTe:Cu复合薄膜应用于CdS/CdTe太阳电池, 作为碲化镉与金属背电极间的过渡层. 比较了有无ZnTe复合背接触层的两种CdTe电池的光、暗电流-电压(I-V)曲线和电容-电压(C-V)特性, 并研究了本征ZnTe薄膜厚度和背接触层的退火温度对电池性能的影响. 结果表明, 有复合背接触层的CdTe光伏器件, 能够消除暗I-V曲线饱和与光、暗I-V曲线交叉现象, 且填充因子在没有高阻透明薄膜的情况下达到了73%. 结合CdTe电池的能带图讨论了其中的原因.     

动态接触角与接触线上的应力奇点

应用经典的Moffatt解, 通过引入接触线特征参数λ′, 给出了接触线上的黏性剪切应力, 导出了动态接触角和接触线移动速度的关系, 解释了文献中两种不同测量方法所得静态接触角不一致的现象. 理论所揭示的动态接触角和接触线移动速度的关系曲线和以往文献中的曲线形式基本一致. 通过和Hoffman试验数据的比较发现: λ′与流体性质无关, 是表征壁面性质的特征参数. 初步探讨了λ′的数理意义.     

原子力显微镜探针与样品的微观接触及黏滑数

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)的扫描探针、针尖以及样品组成了一个微观接触、弹性变形、相对运动和摩擦的系统. 采用微尺度黏着接触理论的M-D模型, 研究了微探针针尖和样品表面的弹性接触和相对运动, 探究了扫描过程中能量的转换和耗散过程. 推导出了无量纲的黏滑数, 模拟出了不同黏滑数下的AFM侧向力信号: η＜1时, AFM侧向力信号十分微弱, 没有剧烈突变; η = 1时, 出现针尖跳跃现象(对应微观黏滑现象), 但没有能量损耗; η＞1时, 针尖跳跃滞后加强, 黏滑现象明显, 并且伴随能量耗散. 该无量纲参数揭示了微观黏滑现象产生的机理, 统一地表示了探针刚度、结构参数、黏着接触表面、载荷、样品形貌以及扫描参数的综合作用和影响, 并与现有的AFM测试结果吻合良好. 最后, 提出了从AFM侧向力信号中定量提取摩擦力信号的分析方法.