两弹性接触粗糙低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,对微接触点的稳态温升、瞬态温升进行了分析,得到了低速滑动区域内的分形区域实际接触面积温升概率分布密度的封闭形式表达式.分析结果说明:摩擦副表面粗糙度、最大弹性微接触点的面积、域扩展系数均随分形维数增加而减小,域分开系数随分形维数增加而线性增加.最大温升随分形维数增加而减小,总体上随实际接触面积增加而线性增加,还随分形粗糙度参数增加而增加.当温升增加时,受给定温升的微接触点数减小会导致实际接触面积的温升概率分布密度下降.考虑了各接触微凸体之间相互作用的瞬态温升效应,但计算表明在低速滑动区域可以不考虑其影响.     

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．     

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.     

MB模型计算原理的修正

纠正了MB模型的计算原理性缺陷.给出了临界面积、接触点的尺寸分布的简要推导过程.当最大的接触点面积小于临界面积时,给出了实际弹性、塑性接触面积解.小接触点是塑性接触,大接触点是弹性接触.利用接触点的尺寸分布,给出了有量纲总载荷解、无量纲总载荷解.当载荷增加时,小的塑性接触点合并形成新的大的弹性接触点,大接触点的实际弹性接触面积总体上线性随实际接触面积增加而增加.     

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。     

平行轴圆柱副接触分析

将古典赫兹理论与现代Majumdar-Bhushan模型相结合,建立了两圆柱分形接触模型。考虑结合部虚拟材料厚度,以及引入圆柱接触面积比,对两圆柱线高副矩形接触面进行了受力分析。数值仿真表明:圆柱接触面积比不大于1;外接触时圆柱接触面积比小于内接触时;增加总载荷或减小结合部虚拟材料厚度都将增大圆柱接触面积比;外接触时实际接触面积小于内接触时;实际接触面积随着分形粗糙度、材料硬度或结合部虚拟材料厚度的增加而减小;随着分形粗糙度的增加,产生特定实际接触面积所需要的总载荷增加,微凸体变形量增大;对于给定总载荷,当分形维数从1.4增加到1.5时,实际接触面积相应增大,但当分形维数从1.5增加到1.9时,实际接触面积转而减小;内接触时的赫兹应力小于外接触时的赫兹应力。该研究结果可为进一步研究圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度计算提供参考。     

考虑硬度变化的结合面法向刚度建模

基于分形理论及M-B模型,引入微接触点域扩展因子,综合考虑微凸体弹性接触变形、弹塑性接触变形和完全塑性变形,进而考虑微凸体弹塑性变形阶段硬度随其几何形貌的改变而变化,建立对应的结合面法向接触刚度模型。通过软件仿真发现:考虑微凸体硬度随其几何形貌改变后,无量纲接触载荷较将硬度视为定值时要小,且随着分形维数的增大,二者差异在逐渐增大;考虑微凸体硬度随微凸体几何形状改变而变化后,结合面无量纲法向接触刚度相较将硬度视为定值时大;无量纲法向接触刚度随着无量纲接触载荷、分形维数和塑性指数的增大而增大,但随着无量纲特征分形粗糙度的增大而减小。     

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而迅速增大;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１５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。磨损概率常数的增大而增大,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。     

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。     

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。     

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.     

弹塑性三维各向异性分形表面的接触分析

Weierstrass-Mandelbrot函数能模拟加权、随机重叠的隆起部状表面,该函数是更起作用通用的单变量标量.给出三维各向异性分形表面高度函数的推导过程,分析三维各向异性分形表面特征.将分形维数推广到三维的一般情况,给出弹性、完全塑性接触时单峰的实际接触面积与单峰的横截面积之间的不同关系.理论分析易适用于解释各向异性分形表面与不同材料行为.     

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.     

铀尾矿粒度分形分布对氡析出影响的初步研究

铀尾矿中氡的析出是备受重视的典型环境问题.本文实验研究了尾矿粒度分形分布对氡析出率的影响.结果表明,尾矿中氡的析出率呈现振荡性变化;在尾矿粒度分布分维值为2.3-2.8内,氡析出率随分维值的增大显著减小,至分维值为2.6时达到极小值,然后随分维值的增大略有增高.反冲作用与He-Rn团簇的形成和尾矿的非均匀性导致了氡析出的振荡变化.分维值增大,小颗粒尾矿含量增高,孔隙度减小,导致了氡析出率随分维值增大而减小.但是,随着分维值的增大,小颗粒增多,由反冲作用引起的氡释放进入孔隙的几率增大,又导致氡析出率随分维值增大而轻微增高.     

环境温湿度对粘土干缩裂缝结构形态影响

为研究环境温度、湿度作用下粘土干缩裂缝的结构形态与变化规律,以南宁市河流冲积相粘土为研究对象,将制成饱和泥浆的土样分别放置在40、50、60、70℃四种温度和相对湿度为50％、70％、90％三种湿度环境下,使其失水、干缩开裂至稳定,观察分析土样干缩裂缝的结构特征和变化规律.试验结果表明:随温度升高,土样失水稳定时裂缝率、分维数、块区个数呈增大趋势,平均块区面积、最大块区面积则呈减小趋势;随着湿度增加,裂缝率、分维数、平均块区面积减小,块区个数和最大块区面积增加;裂缝率和分维数与含水量均具有良好的线性关系,二者随含水量的变化速率受环境温湿度影响;块区面积分布函数的峰值随温湿度升高而增大,块区最可几面积则逐渐减小.     

混合润滑条件金属基旋转摩擦元件界面温度场研究

针对机械传动湿式摩擦副热负荷异常导致的元件变形失效问题,基于弹性流体混合润滑理论,增加考虑粗糙界面弹塑性变形带来的影响,建立湿式摩擦副混合润滑热力学模型,并通过摩擦磨损试验机验证其正确性.基于粗糙接触面积、局部压强分布和局部温度分布的仿真结果,分析一定工况下的湿式摩擦副界面状态变化规律,探究接触面压和滑动速率对温度场细观分布的影响.结果表明：随着面压的提升,粗糙接触面积和局部压强逐渐升高,最高温度与平均温度的差距拉大,说明了压力提升可以激化界面承压分配的两极分化;随着滑摩速度的提升,粗糙接触面积和局部压强逐渐下降,界面最高温度先迅速升高后又明显下降,极值出现在0.1 m/s～1.0 m/s区间内.