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.     

三维弹性接触分析的边界元柔度矩阵法及其应用

将边界元法与柔度矩阵法相结合,开发了三维弹性接触分析程序,充分发挥了边界元法处理数据少,建立模型简便,求解精度高和柔度矩阵法占内存少,迭代求解速度快的优越性,利用该程序成功地求妥了等基圆曲线齿锥齿轮的瞬时接触区和接触区应力分布。     

多物体三维有摩擦弹性接触凝缩边界元法

基于工程需要,将三维边界元凝缩解法用于求解多物体摩擦型弹性接触问题.由于摩擦接触问题属于非线性问题,接触面的滑动引起能量的耗散,采用增量法来追踪整个载荷的历程,采用凝缩解法对边界矩阵方程进行求解.以三物体接触模型为例,阐述了多物体接触的边界积分方程的建立和边界矩阵方程的求解过程,以一计算实例说明本方法的正确性.     

考虑裂纹接触摩擦的逐点Lagrange乘子法

为了解决裂纹面可能发生的接触摩擦问题,精确求解裂纹尖端附近应力,提出了一种逐点Lagrange乘子法.将Lagrange乘子逐点转到局部坐标系下,采用Gauss-Seidel迭代法求解法向乘子和切向乘子,并在求解过程中对切向乘子的约束进行修正,待所有点的乘子求解完成后再将其变换到整体坐标系下迭代求解位移.与传统接触算法相比,该算法无需对总刚度阵求逆,降低了求解规模.利用该算法计算了压剪作用下中心裂纹板以及纯剪作用下中心界面裂纹板的应力强度因子,计算结果与已有文献结果吻合良好.随后考察了Comninou接触模型在远场纯剪作用下不同摩擦系数对位移场、接触区和裂尖附近应力场的影响,结果表明,接触对裂尖正应力影响较大,忽略裂纹面接触摩擦作用,应力强度因子可能被高估.     

板带轧制过程中的边界元法分析

轧制过程中,变形区的边界条件很复杂,难以用解析方法准确分析求解,本文尝试用有摩擦弹塑性接触问题边界元法模拟轧制过程,在分析过程中视轧辊为弹性体,轧件为弹性塑性材料在接触边界上考虑了滑动和粘着两种摩擦状态。本文用较少的假设,更准确地模拟了轧制过程,为轧制分析提供了一个有效而精确的方法。     

成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响

以碳纤维2.5D浅交弯联结构为预制体,分别采用树脂传递成型工艺(RTM)和热压成型工艺(HPM)制备了碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料.通过MS-T3001摩擦磨损试验机考核了材料的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜、激光三维形貌扫描仪观测了材料的磨损形貌,对比分析了两种成型工艺对材料摩擦学性能的影响.结果表明:随着滑动速度和工作载荷的增大,材料的摩擦系数均减小.热压成型工艺成型摩擦材料的主要磨损形式为磨粒磨损,摩擦系数0.085~0.130,磨损率1.5×10-8 g·N-1·m-1.树脂传递成型工艺成型摩擦材料的主要磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,摩擦系数0.075~0.120,磨损率7.5×10-8 g·N-1·m-1.     

球形压头的滑动速度对材料微米划痕响应的影响

在恒定的法向载荷下,使用Rockwell C 120°金刚石压头对聚碳酸酯(PC)、熔融石英、紫铜和镁合金AZ31进行微米划痕测试,研究滑动速度对试样划痕响应的影响.压入深度小于压头的球锥转变深度,确保仅有压头顶端的圆球部分与试样接触.结果表明:随着滑动速度的增加,压入深度、残余深度和划痕沟槽的宽度均非线性减小,划痕硬度和弹性恢复率均非线性增大;PC和紫铜的划痕摩擦系数先增大后减小,PC的黏弹性行为对其摩擦响应有显著影响;熔融石英的划痕摩擦系数先增大后减小,最后趋于稳定;镁合金AZ31的划痕摩擦系数先减小后增大.熔融石英、紫铜和镁合金AZ31的划痕摩擦系数的变化趋势可通过几何接触模型进行解释.     

基于UHMWPE/nano-ZnO复合材料摩擦特性的正交试验及回归分析

用热压成型法制备了纳米ZnO填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料,用销-盘式摩擦磨损试验机测定了复合材料的摩擦学性能,采用四水平正交表设计试验,运用多元线性回归方法处理试验数据,分别得到了复合材料的摩擦系数和磨损率与载荷、纳米粒子含量和相对滑动线速度3个试验因素间的回归方程.结果表明,载荷对复合材料摩擦系数的影响最大,纳米粒子含量和相对滑动线速度的影响相对较小.复合材料摩擦系数随着载荷的增加而减小;试验因素对磨损率的影响程度由大到小依次为相对滑动线速度、载荷和纳米粒子含量,复合材料磨损率随着相对滑动线速度和载荷的增加而增大,随着纳米粒子含量的增加而减小.     

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。     

摩擦传递扭矩的大型旋转机械主轴强度分析

承受外载的旋转机械靠摩擦传递扭矩时,主轴属于三维材料非线性与边界非线性的耦合问题——弹塑性接触问题。本文采用有限元增量法对此进行了详细分析,导出了基于流动理论的塑性增量的本构方程及等强化材料在复杂应力状态下的Mises模型的本构矩阵。在有限元计算中采用了精度较高的一阶自校正法,在接触问题分析中设定了自由、粘连、滑动三种边界,并采用了接触单元处理,求解时采用凝缩矩阵法及有限元混合法。对摩擦传递扭矩的水轮机主轴计算结果进行了分析,并与三维光弹实验结果进行了比较,两者是一致的。     

基于二维模型的连杆齿形配合面微动数值分析

以某柴油机锯齿定位型连杆大端为研究对象,应用有限元技术对连杆大端齿形配合面的微动作用进行数值计算和研究.对连杆体作必要简化并建立二维有限元模型,以连杆预紧工况、最大受拉工况、最大受压工况为基础,对齿形配合面的微动滑移量、法向和切向应力进行了计算,分析了微动磨损摩擦功参数W与扩展裂纹位置的预测参数G;定量解释连杆大端齿形配合面的微动损伤问题.研究结果表明,适当减小接触面摩擦系数并在合理范围内降低螺栓预紧力,均会对减少锯齿处微动磨损行为产生积极影响.     

改进并推广到三维接触问题的有限元混合法

提出一种改进的有限元混合法分析弹性接触应力,由于其中的柔度阵实现了对称化,故和通常的有限元混合法相比,不仅显著地提高了计算效率,而且减少了数据存储量.就考虑摩擦的三维弹性体接触模型,建立了一套相应的有限元计算格式并已付诸计算机实施.给出的汽缸盖算例与ADNA程序算得的结果对比,表明本方法有效、可靠、省时.     

斜齿轮接触特性有限元分析

为了研究斜齿轮啮合过程中齿面接触力分布,通过有限元方法建立齿轮接触分析模型,研究了塑性变形、齿面摩擦、温度以及材料线性强化等因素对啮合性能影响,并通过实验对比了仿真结果.结果表明:塑性变形、齿面摩擦、温度和线性强化对轮齿齿面接触力均有影响.实验结果表明:温升测试中,齿顶、齿根区域的实验和仿真温度变化趋势一致;应变测试中...     

基于加州承载比试验的隧道弃渣颗粒接触力场形状影响因素分析

对级配碎石而言，不同的颗粒表面性质会影响颗粒接触力场形状、大小及梯度，进而改变试样所受约束力。分析CBR试验过程中试样侧板及底板的受力演变，探究试样颗粒细观参数对试样颗粒接触力场及试样约束力的影响。通过对比不同刚度比、摩擦系数与粘结强度（设定其比值为1下）对试样接触力场形状的影响，发现：以刚度比值6为界，随法向刚度的增大，颗粒接触力场长细比先增加后减小；随摩擦系数或粘结强度增大，接触力场长细比相应减小。考虑颗粒相对运动中粘结强度比中法向及切向参数作用不同，以粘结强度比4为界，随法向粘结强度增大，其接触力场长细比先增加后减小；随切向粘结强度增大，所得接触力场长细比变化趋势则为先减小后增加。可为研究隧道弃渣制成的级配碎石颗粒细观参数与其接触力场形状间关联性提供一定参考     

不同因素对机械弹性智能车轮加速度信号的影响

为了研究不同滚动工况对机械弹性智能车轮加速度信号的影响,采用有限元分析方法研究速度、附着系数、载荷对接触应力和加速度信号的影响以及车轮不同位置的加速度信号的差异性。结果表明：速度和地面附着系数对法向接触应力分布影响不大;路面附着系数增大导致摩擦应力分布的不均匀性增加,载荷增大导致接地区域接触应力最大值增大。车轮速度增大,加速度峰值幅值增大,加速度峰值时间间隔减小;载荷增大,加速度峰值时间间隔增大;纵向附着系数功率谱能对地面附着系数进行区分;輮轮中间加速度信号更适合用于侧偏特性研究,通过侧向加速度信号积分得到侧向位移,可用于侧偏角估算。     

不同应力路径下砂岩的宏细观力学响应特性

为了研究应力路径对砂岩的宏观、细观力学响应的影响,基于颗粒离散元方法构建了空心圆柱试样并开展了6组不同应力路径的试验,分别研究了砂岩试样在不同应力路径下的宏观应力-应变响应,以及细观法向与切向接触力的分布规律。研究结果表明：当试样内围压相同时,随着外围压的增加,试样破坏时的体积应变也随之增加,即试样的膨胀现象愈加明显;当试样的外围压相同时,随着试样内围压的增加,试样破坏时的体积应变随之先增长后减小。在中主应力系数不为0时,中主应力系数越大,试样的径向应变与环向应变之和的绝对值越大。在内围压相等的情况下,随着外围压的增加,试样的法向接触力增加。当外围压相等,内围压增大时,试样的法向接触力减小。     

Multipole BEM for 3-D Elasto-Plastic Contact with Friction

The analysis of 3-D elasto-plastic contact with friction is a highly nonlinear problem. The elements in the contact and plastic zones should be refined to obtain accurate information about the real size,displacement, and traction in the contact zone. However, the increase in the number of degrees of freedom is limited when traditional boundary element method (BEM) is used with the larger memory size and long CPU time required for the solution procedure. This paper describes the additional mathematical friction model to the 3-D elastic multipole BEM to develop a 3-D elasto-plastic contact multipole BEM. Numerical tests show that with this new method, the needed computer memory size is only 2% of the traditional BEM model with friction, which erases large-scale computing with refined meshes and improves the computational accuracy.     

Friction behavior of coupling motion for natural articular cartilage by reciprocating rotation

Based on the irregular surface of natural cartilage configurations, the tribological characteristics of coupling motion between natural cartilage pairs were investigated by the variation of rotated offset and velocity. Contact displacement, contact load, friction force and coefficient of friction from natural cartilage pairs were measured by a UMT-2 testing machine. In order to obtain the steady part and wavy part, the contact load and contact displacement were decompounded by the five-point sliding average method. These results showed that the contact load was composed of steady load and wavy load. And the contact displacement was composed of cartilage deformation and surface outline. The steady load was similar to exterior load while natural cartilage deformation increased nonlinearly with the sliding time. Wavy load had the correlative coefficient 0.235 with surface outline due to the irregular surface of friction configurations. The coefficient of friction from cartilage friction configurations was less influenced by smaller magnitude in rotated parameters. A few strange summits were obtained in the area of coefficient of friction, and significantly related with local minimal values corresponding to the contact loads. The rotated offsets had clear impact on contact load and a slight impact on contact displacement. Larger offset produced higher wavy magnitude of the contact load. The rotated velocities played an evident role in cartilage deformation, but had a less influence on contact load. Lower velocity brought larger cartilage deformation. Contributed equally to this work Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50535050)     

粗糙表面在滑动过程中的摩擦生热研究

为研究粗糙表面在滑动摩擦过程中的热动力学问题,基于G –W（Greenwood –Williamson）模型,建立了一个
含球形微凸体粗糙表面与理想平面的滑动接触模型。使用有限元法对该模型的滑动摩擦过程进行了热机耦合计算,
并研究了相对滑动速度、初始压入量和摩擦因数对粗糙体温升、等效应力和接触应力的影响。结果表明,粗糙体表面
温度变化历程可分为急剧增长和缓慢增长两个阶段;微凸体上出现局部高温区,且其高应力区偏向滑移方向一侧;相
对运动速度越高,温度历程第一个阶段对应的位移量就越大;不同初始压入量下,温度历程第一阶段的持续时间基本
为0.05 ms;粗糙体的最大等效应力和接触应力均随着压入量和摩擦因数的增大而增大。