基于等效热-力载荷的20Cr2Ni4预应力车削残余应力模拟及实验

为快速准确预测20Cr₂Ni₄合金钢预应力车削表面残余应力的分布,基于等效热-力载荷建立三维有限元仿真模型,通过切削热-力模型确定等效热-力载荷的分布形状和强度,将切削过程等效为接触正应力、接触剪应力和热流通量在已加工表面的循环作用.模拟的残余应力分布趋势与测量结果基本吻合.基于上述模型研究了切削速度、进给量和预应力大小对残余应力分布的影响.结果表明,切削速度对残余应力分布影响不明显,减小进给量能使表面残余拉应力和最大残余压应力减弱,增加预应力能够有效地减小表面残余拉应力和增大最大残余压应力.      

大型双排四点接触球轴承载荷分布影响因素研究

为充分研究大型双排四点接触球轴承的载荷分布,采用超单元法模拟滚珠滚道接触,用等效梁法模拟螺栓,得到大型双排四点接触球轴承有限元简化模型,并通过与理论模型及经验公式结果对比,验证了该模型的正确性。在此基础上,利用此模型分析螺栓预紧力、安装表面平面度及变桨同步度对轴承载荷分布的影响。结果表明:随着均布螺栓预紧力的增加,轴承最大接触载荷先降低后小幅增加;非均布螺栓预紧力使轴承接触载荷波动加剧;平面度误差会造成轴承接触载荷分布不规则突变;当变桨同步度为负时,轴承的接触载荷增大。     

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。     

铁路曲线区段轮轨接触应力计算方法

以客车磨耗型踏面车轮通过铁路曲线段时的轮轨接触问题为研究对象,在前期研究的基础上,引入切向力计算模型,建立了能够对曲线路段轮轨接触表面应力和内部应力进行精确计算的数学模型。结合具体算例,数值计算了不同接触位置处接触斑上的应力分布和轮轨内部的Mises应力和最大剪应力,并选择一个具体接触位置深入计算了列车通过曲线路段时弯道半径、运行速度、外轨超高值、轴质量等因素对轮轨接触表面应力和内部应力的影响规律,发现当接触位置变化时,接触斑形状、接触表面应力分布、黏滑区分布以及轮轨内部的Mises应力和最大剪应力分布也在不断变化,得出了一系列规律性的曲线,并进行了分析讨论,为进一步研究轮轨接触疲劳寿命问题提供了理论依据。     

切削加工中的刀—屑接触区应力分布计算模型建立

切削加工中,刀—屑接触区的应力分布直接影响着切削加工性能、切削温度分布及刀具磨损等,本文通过对直角切削时的切削力的分析和刀—屑接触长度的计算,建立了刀屑接触区的正应力与剪应力的分布计算模型,通过该模型可直接得到刀具前刀面的应力分布情况.     

一种考虑微凸体接触角分布的结合面侧接触分形模型

针对以往分形模型中忽略微凸体侧向接触和接触角度分布来源的问题，提出了一种考虑微凸体之间接触角分布的结合面接触刚度的侧接触分形模型。通过轮廓显微镜采集了接触表面的轮廓，采用三点峰方法将表面轮廓模型化，获得了相邻微凸体之间的水平距离及高度差的数据。利用功率谱密度法进行分析，发现相邻微凸体之间的水平距离和高度差均具有分形规律。根据所发现的分形规律，推导出两个微凸体相互接触时接触角的分布函数规律，然后采用分形理论建立了结合面的侧接触模型。基于这个模型，通过数值仿真，研究了分形参数、塑性指数、法向载荷系数及接触方式对结合面法向、切向接触刚度的影响。结果表明：无量纲切向接触刚度随着分形维数、塑性指数及法向载荷系数的增大而增大，随着无量纲分形尺度参数的增大而减小。对比有限元分析及模态试验的结果，发现二者最大相对误差为4.32%,相较LZT模型精度提高了46.8%,说明所提模型能够比较准确地预测结合面的接触刚度。     

螺纹齿传递载荷规律的研究

本文采用虚拟接触载荷法研究了螺纹齿啮合的接触状态，讨论了粘滞、光滑和摩擦滑动接触条件，计算了螺栓和管螺纹连接时，载荷沿齿的分布规律。选取适当的管螺纹锥度可改善载荷的分布规律。所得结果和目前公认的理论解和数值解符合较好。     

基于LJ势与随机过程的纳米级粗糙表面摩擦力计算模型

基于接触界面势垒与摩擦接触面形貌的随机特性,建立了一种新的纳米级粗糙表面滑动摩擦力计算模型;利用该模型对满足严格平稳的同种摩擦副材料纳米级随机粗糙表面的摩擦力进行了数值计算.结果表明:经该模型数值计算得出的平均滑动摩擦力与法向载荷呈线性关系;法向载荷与平均接触界面间隙呈指数关系;在相同界面间隙下,平均法向力与粗糙峰高度分布标准差呈线性关系.计算结果与现有的研究结论相符,证明该模型是有效的、可行的;基于该模型,可根据接触界面的形貌分布参数、材料参数与法向载荷预测出平均滑动摩擦力.     

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.     

考虑微凸体侧接触的结合面法向接触刚度建模

提出了一种考虑微凸体侧接触影响的结合面法向刚度建模方法。通过采样获取接触表面轮廓数据后，用统计方法研究了接触表面上微凸体之间的水平距离分布，发现微凸体之间的水平距离分布近似呈正态分布。基于微凸体侧接触理论和微凸体连续变形理论，建立微凸体的法向接触刚度模型后，根据微凸体水平距离的分布规律，利用统计理论，构建了结合面法向接触刚度模型。分析结果表明：在两个接触表面平均间距相同时，提出模型的法向接触载荷大于KE模型，小于高志强(GZQ)模型；在间距较小时，提出模型接触刚度小于KE(Kogut L和Etsion I)模型接触刚度，在间距较大时，提出模型接触刚度大于KE模型接触刚度，并且提出模型的法向接触刚度总是小于GZQ模型接触刚度；基于提出模型的有限元分析获得的前三阶模态与试验结果一致，固有频率与试验结果最大相差8.2%,说明提出的模型能够比较准确地预测结合面的法向动态特性。     

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.     

四点接触球转盘轴承载荷分布的影响因素分析

四点接触球转盘轴承的载荷分布是其性能分析的重要内容。基于ABAQUS软件,首先建立单个钢球—滚道接触模型,分析了初始接触角及沟曲率半径因数对轴承轴向承载能力的影响;然后建立联合载荷作用下轴承的整体模型,分析了套圈壁厚、游隙及钢球数量对轴承载荷分布的影响。研究结果表明:在保证套圈壁厚的情况下,适当的负游隙及增大钢球数量可使轴承的载荷分布合理,并提高其承载能力。     

装配工况下PEMFC不同双极板截面接触行为研究

为进一步探究双极板几何形状对层间接触行为的影响，以金属双极板为对象，搭建了双极板压缩试验台，同时建立了双极板压缩试验有限元模型，根据压敏纸采集到的试验结果验证了模型的有效性.然后，分别搭建了梯形、矩形和波浪形三种常见截面形状的双极板有限元模型，并搭建了相应的双极板压缩试验有限元模型.通过仿真分析研究在不同装配载荷作用下双极板截面形状对层间接触行为的影响.结果表明：装配载荷大小和双极板截面形状对双极板与气体扩散层（Gas Diffusion Layer， GDL）之间的接触行为有显著影响；在不同装配载荷作用下，三种双极板肋下的GDL表面接触应力幅值均在0.5~2 MPa之间，均符合装配要求；在同等条件下，双极板肋宽度是决定双极板与GDL之间整体平均接触应力幅值和GDL平均侵入面积的主要因素；在三种双极板中，矩形双极板下的接触行为对装配载荷的变化更为敏感，并且矩形双极板下平均接触应力分布均匀性最差.     

关节软骨缺损修复区剪切特性分析

应用有限元软件ABAQUS建立基于横观各向同性的关节软骨固液耦合双相模型,在压缩载荷作用下,研究了工程化软骨(Tissue Engineering Cartilage,TEC)的弹性模量和泊松比、修复深度、及压缩量对修复区剪应力分布的影响.模拟结果表明,缺损修复显著地改变了修复区剪应力的分布.比较而言,全层缺损修复时软骨表层修复边界处的宿主软骨和TEC剪应力差别最小,软骨不易开裂;修复区剪应力极值随TEC弹性模量增大而增大;加载初期(2 s),剪应力极值随TEC泊松比增大而减小,加载一段时间后(1 000 s),剪应力极值随泊松比增大而增大;压缩量不同时,各种修复条件下剪应力极值均随压缩量增加而增大,且压缩量增大时,软骨表层修复边界处剪应力集中现象愈加显著,易引起开裂.分析结果对临床修复具有一定的理论指导意义.     

转盘轴承对数修形滚子的特性分析

基于ABAQUS建立转盘轴承对数修形滚子与滚道接触的局部有限元模型,分析对数修形滚子在滚动和滑动工况下转盘轴承的应力分布。结果表明:随滚动和滑动的速度增加,应力分布趋势相同,但应力值变化不大,可以忽略速度对应力分布的影响。载荷较小时,滚道上应力分布均匀。载荷较大时,滚子端部与滚道接触位置应力明显增加。随载荷增加,模型整体应力值变大。摩擦因数增加,滚道上应力分布均匀,等效应力和接触应力变化不大,交变应力变大,且最大交变应力向滚道表面移动。     

高压往复泵缸体系统接触问题数值模拟

针对往复泵外载荷作用复杂、缸体与阀套接触面上容易出现裂纹而失效的问题,依据往复泵工作原理、流体力学基本理论和接触问题数值方法,建立了高压往复泵缸体-阀座-阀套系统的接触模型.在考虑压力脉动、流量脉动、交变载荷和进、出口阀门开启关闭的撞击等多种因素的综合作用下,建立了高压往复泵缸体-阀座-阀套系统的有限元模型,对整个系统的接触状态进行了分析,得到缸体系统的应力分布、接触状态和接触面的接触应力分布情况及薄弱部位的位置.     

考虑分布域扩展因子的结合面法向接触阻尼建模

为了准确计入微凸体接触面积分布对结合面特性的影响,提出了考虑分布域扩展因子的结合面法向接触阻尼分形模型。以分形理论为基础,采用Majumda-Bhushan修正模型,引入微接触大小分布域扩展因子,分析了结合面法向总载荷与接触面积的关系。利用阻尼耗能机理,提出了将结合面法向接触特性等效为弹簧和黏性阻尼器的动力学系统,推导出结合面法向接触阻尼损耗因子,进而建立结合面法向接触阻尼模型,并进行了归一化处理。仿真结果表明:结合面归一化法向接触阻尼随着分形维数的增大而增大,随着应变指数的增大而减小;归一化法向接触载荷和归一化分形粗糙度参数对结合面归一化法向接触阻尼的影响趋势均与分形维数所处范围有关。线轨滑台上进行的试验表明:试验模态参数与理论模态分析结果一致,所提模型能够准确地描述结合面的动态特性。     

粗糙表面接触面积和承载规律的研究

基于有限元方法研究了磨削粗糙表面的真实接触面积和承载分布规律。首先通过表面轮廓仪获得两个45钢磨削表面的轮廓数据,建立了粗糙表面的二维有限元接触模型,通过计算获得了两个粗糙表面在0~1MPa法向载荷作用下的接触变形,与法向载荷及变形的试验结果比较,计算结果与实验结果有较好的一致性。此外,还将该模型计算的真实接触面积与接触电阻试验获得的真实接触面积进行了比较,发现二者数据也能够较好地吻合,表明该模型能够用于粗糙表面微观接触性质的研究。通过该模型发现,接触点的承载不均匀,而且不均匀的程度随载荷升高而降低,说明在低载荷条件下,真实的接触面积并不能反映接触表面的承载能力。计算结果还显示,真实接触区的面积很小,并且只出现在轮廓高度平均值以上的位置,轮廓高度在平均值附近及其以下的高度分布并不影响接触的状态和性质,表面轮廓符合正态分布应该不是GW模型的必要条件。     

多层陶瓷涂层厚度配比应力场有限元分析

钢基铝层经等离子体电解氧化技术陶瓷化后,可在钢表面形成多层体系结构的陶瓷涂层.采用有限元方法,对不同厚度配比的复合涂层在均布接触载荷作用下的应力分布进行了研究.结果表明:铝层的存在可明显缓解界面处的剪应力.同时,铝层厚度增加,也使表面拉应力增大;Al2O3层决定着涂层内最大剪应力距离表面的距离,增强了涂层表面支撑能力,可减缓表面拉应力值.特别,当Al2O3层与Al层的厚度相等时,Al2O3/Al界面处的剪应力最小;FeAl层对表面应力和界面应力影响较小.因此,当选择较厚陶瓷层和较薄铝层时,涂层内将具有较优的表面和界面应力分布状态,从而可提高涂层力学性能.     

地震载荷下桩-土-上部结构作用机理与数值模拟

桩-土-结构动力相互作用机理研究是提高动力作用下桩基础安全性的重要基础.在分析目前桩基抗震的主要计算模型及分析方法基础上,采用有限元软件ABAQUS,对桩-土-结构动力相互作用体系进行了水平地震荷载下的二维弹塑性有限元分析.比较了角桩、中间桩和中间边桩的剪应力幅值沿桩身的分布,得出了桩身剪应力幅值分布都呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布;角桩剪应力幅值较大,边排中桩和中桩的剪应力幅值较小;随着桩间距的增大以及桩边长的减小,不同位置处的桩所分担的剪应力比例差距越来越小;桩土之间的滑移量在桩顶处大,桩尖处滑移量小;桩-土接触界面在动力作用过程中桩顶剪应力幅值有增大-减小-增大的变化规律.