考虑临界变形量变化的结合面法向接触刚度计算模型

考虑微凸体接触过程中临界变形量变化,建立结合面法向接触刚度计算模型.采用分形几何表征结合面的形貌特征,由表面形貌测量数据得到分形函数的分形参数D和G.采用弹塑性变形接触理论分析微凸体的接触变形特征,得到微凸体的临界变形量估计模型,其是分形参数和微凸体接触变形量的函数,进而得到考虑临界变形量变化的单个微凸体的接触刚度计算模型.由分形理论得到粗糙表面微凸体分布函数,微凸体分布函数与单个微凸体接触刚度计算模型结合得到结合面的法向接触刚度计算模型.通过对比计算结果与实验数据,验证了所提模型的合理性.     

基于分形接触理论的结合面法向接触参数预估

基于分形接触理论,建立了结合面法向接触参数的分形预估模型,通过粗糙表面材料性能参数、法向载荷及粗糙表面的分形参数来预估法向接触刚度和接触阻尼,并对其变化规律进行数值仿真.结果表明：结合面之间的接触处于弹性变形和与塑性变形共存的状态,且小接触点面积的微凸体发生塑性变形,而大接触点面积的微凸体发生弹性变形;法向接触参数与分形参数之间具有较强的非线性关系;同时,法向接触刚度随法向载荷的增大而逐渐增加,但法向载荷对结合面的法向阻尼特性影响较小;仿真结果中极值点的存在,为结合面接触参数的优化设计提供了依据.     

基于微凸体连续变形理论的结合面切向刚度模型

提出了一种包含微凸体接触过程中弹塑性过渡阶段弹性的粗糙表面切向接触刚度模型。现有粗糙表面切向接触刚度模型中只考虑微凸体完全弹性接触阶段的弹性,未考虑弹塑性过渡阶段弹性。根据微凸体变形过程中应满足的连续性条件,微凸体变形过程可以按如下划分:完全弹性阶段、弹塑性过渡阶段(包含三个不同阶段)以及完全塑性阶段,依据分形理论和Hertz接触理论,建立了计入微凸体弹塑性过渡阶段弹性的结合面切向接触刚度模型。分析与试验结果表明:考虑微凸体的弹塑性过渡阶段的切向接触刚度相比与不考虑弹塑性过渡阶段更加的符合实际接触情况。新模型的切向接触刚度随着法向载荷和较软材料的屈服强度与两材料的复合弹性模量的比值的增大而增大,还由于分形粗糙度与切向载荷的增大,该切向接触刚度会减小,并且伴随着分形维数的增大,切向接触刚度先增大后减小,即接触刚度存在一个峰值。此外,当较软材料的屈服强度与两材料的复合弹性模量的比值增大时,刚度峰值所对应的分形维数在减小。     

自仿射接触点及其在分形接触理论中的应用

为了深入研究分形方法在接触理论中的应用,利用数值模拟实验研究了分形粗糙表面的接触机理,并提出了自仿射接触点的概念。该概念充分利用分形函数自仿射的优点,改善了传统分形接触理论中微凸体不满足分形特性的缺陷,去除了接触理论中微凸体相互作用无法考虑等假设。将自仿射概念应用于分形接触理论中,建立了新的接触模型。模型基于粗糙表面均为各向同性的无润滑表面且可以利用W-M函数模拟的假设,利用接触中接触点最大变形量与接触面积的关系,对分形接触模型进行修正,得到更符合实际情况的分形接触理论。与经典的统计及分形接触模型进行对比,结果表明:G-W模型是一个弹性模型,较少考虑塑性接触,因此G-W模型在整体上会低估粗糙表面的接触压力;M-B模型利用单个余弦函数模拟微凸体,得到的最大接触变形量偏小,且微凸体尺寸分布函数的使用也不准确,M-B模型高估了接触压力;提出的基于自仿射接触点的分形接触模型利用自仿射接触点代替微凸体进行理论推导,能更准确地计算出接触压力;在相同的接触面积下,粗糙表面分形维数越大或分形特征尺度越小,接触压力越小。     

粗糙表面的加卸载分形接触解析模型

基于分形理论,建立了粗糙表面加卸载接触力学模型,推导出了单个微凸体弹性、弹塑性以及塑性变形的存在条件,获得了对应条件下微凸体加、卸载的力学表达式。根据加载终点与卸载起点真实接触面积和总接触载荷不变规则,对传统的微凸体面积密度分布函数进行变换,分别给出了加、卸载接触过程中不同频率指数微凸体的面积密度分布函数,最终得到了加、卸载接触过程中粗糙表面真实接触面积与总接触载荷之间的关系。结果表明:在一个加、卸载接触循环内,粗糙表面加、卸载接触的力学性质取决于微凸体频率指数的范围;当微凸体的最小频率指数n_(min)与临界弹性频率指数n_(ec)的关系满足n_(min)+5≤n_(ec)时,粗糙表面在整个加卸载接触过程中呈现弹性性质;当n_(min)n_(ec)、接触下压量大于微凸体自身临界下压量发生弹塑性变形时,在相同的总接触载荷条件下,卸载过程中的量纲一真实接触面积大于加载过程中的量纲一真实接触面积,且两者的差值与下压量成正比,最大量纲一差值范围为0~0.085 8。     

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.     

一种改进的粗糙表面法向弹塑性接触解析模型

针对现有各种粗糙表面接触模型存在的不足,提出一种改进的粗糙表面法向弹塑性接触解析模型,该模型同时考虑了微凸体完全弹性、弹塑性和完全塑性3种变形状态。对完全弹性和完全塑性变形阶段,采用经典弹性接触和塑性接触力学公式进行建模;对混合弹塑性变形阶段,提出一种利用低阶椭圆曲线插值进行解析建模的方法。进一步,利用概率统计分析方法建立了粗糙表面法向弹塑性接触模型。将该模型与公开文献中的其他模型进行了对比,结果表明:该模型能够描述出微凸体接触状态变量随法向接近量单调、连续和光滑的变化过程,并且能够对粗糙表面法向弹塑性接触行为进行建模;模型的预测结果和基于有限元结果的经验模型的预测结果接近。     

粗糙球形表面的分形接触力学模型

为了获得粗糙表面点接触的力学特性,提高接触元件的承载能力,采用Weierstrass-Mandelbrot函数生成了三维粗糙球形表面,建立了粗糙球形表面与一刚性平面接触的分形力学模型,推导出不同接触区域上各个频率指数的微凸体的截断面积密度分布函数,获得了真实接触面积与总接触载荷的解析表达式,得到了接触半宽上的接触压力分布。计算结果表明:微凸体的频率指数范围直接影响粗糙球形表面的接触力学性质;当最小频率指数n_(min)与临界弹性频率指数n_(ec)满足n_(min)+5≤n_(ec)时,粗糙球形表面在整个接触过程中呈现弹性变形性质,当最小频率指数n_(min)与临界弹塑性频率指数n_(epc)满足n_(min)>n_(epc)时,粗糙球形表面在整个接触过程中呈现非弹性变形性质;粗糙球形表面的接触半宽主要由基圆确定,对于相同比例的下压量,接触压力峰值与最小频率指数成正比;在弹性变形与弹塑性变形阶段,接触压力在接触区域中心达到最大,向接触区域边缘方向递减,在完全塑性变形阶段,接触压力在整个接触区域近似均匀分布。     

刚度连续、单调且光滑变化的粗糙界面法向弹塑性接触模型

提出一种新的基于低阶椭圆曲线方程的微凸体法向弹塑性接触刚度模型。进一步基于粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson统计模型和微凸体高度分布概率密度函数,推导整个粗糙界面接触刚度和接触载荷表达式,建立粗糙界面接触的总刚度模型,并将模型计算结果与实验测量结果进行对比分析。研究结果表明:该模型考虑粗糙界面的弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形接触状态,且同时满足不同接触状态之间微凸体的接触刚度、接触载荷和接触面积均连续、单调且光滑变化的条件,克服了以往模型存在的接触刚度非连续、非单调的缺点;本文建立的粗糙界面接触刚度模型有效。     

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.     

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。     

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.     

考虑摩擦因素的结合面加/卸载分形理论模型

基于微凸体的弹性、第一弹塑性、第二弹塑性、塑性变形状态,考虑摩擦因素的影响,得出单个微凸体在各变形阶段加/卸载过程中接触面积和接触载荷分形理论模型。引入参数:结合面在各个变形阶段分布密度函数修正系数C_e、C_(ep1)、C_(ep2),接触载荷修正系数D_e、D_(ep1)、D_(ep2),进而推导出考虑摩擦因素情况下,结合面在各变形阶段加/卸载过程实际接触面积、接触载荷分形理论模型。根据该模型,结合面加/卸载过程实际接触面积、接触载荷与摩擦力修正因子k_μ、屈服极限σ_s、等效弹性模量E′、轮廓参数G、分形维数D、粗糙表面频率参数γ~n有关,而结合面在卸载过程实际接触面积、接触载荷还与最大变形量及卸载后残余变形量有关。     

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。     

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。     

一种考虑侧接触切向滑动的微凸体弹塑性变形传热模型

为了准确预测热成形中的界面传热特性,提出了一种考虑侧接触切向滑动的微凸体弹塑性变形传热模型.利用材料在塑性变形时的体积守恒原理,对单对侧接触微凸体在切向滑动时的传热模型进行分析,基于微凸体弹塑性变形理论,分析了粗糙表面上单对球形微凸体在侧接触切向滑动时的变形模式与接触压力的关系,推导出单对球形微凸体在弹塑性变形时的传热模型,并将推导模型与有限元法(FEM)的模拟结果进行比较,以验证其准确性.结果表明,所提出的模型在完全塑性接触条件下对接触压力的预测结果与FEM分析的结果接近.随着接触压力增大,侧接触微凸体的传热系数增大;随着滑动位移增大,产生的摩擦热增加,侧接触微凸体的传热系数增大.     

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.     

混合弹流润滑系统的建模与摩擦学特性研究

为了研究粗糙表面微凸体对混合弹流润滑区摩擦学特性的影响,建立了考虑粗糙表面微凸体的弹流润滑数学模型,可呈现粗糙表面的局部接触状态。通过生成虚拟粗糙表面,分别利用K-E弹塑性接触模型和平均流量雷诺方程计算微凸体接触压力与流体动压力,并且利用快速傅里叶变换技术计算基体的弹性变形量;通过绘制润滑系统的Stribeck曲线,研究了虚拟微凸体、名义载荷、综合粗糙度和微凸体曲率半径对弹流润滑摩擦学特性的影响。结果表明:微凸体的接触压力产生基体弹性变形,使膜厚增加,导致流体动压力减小,微凸体承载比和摩擦因数增大;名义载荷增加导致低速时摩擦因数变小,润滑状态在更低速条件下从边界润滑过渡到混合润滑;综合粗糙度的减小会使Stribeck曲线向左移动;微凸体曲率半径的增大仅使润滑状态加快从边界润滑过渡到混合润滑,然而对从混合区域过渡到弹流区域几乎没有影响。     

名义平表面无穷微凸体群的非Hertz接触

对修正的弹性接触积分方程直接离散求解，计算了均匀分布着无穷个微凸体的名义平表面同刚性平面的弹性接触问题。计算结果表明，微凸体的实际接触面积小于Ｈｅｒｔｚ接触面积，而最大压应力大于相应的Ｈｅｒｔｚ解。这表明粗糙表面上发生接触的微凸体更容易发生塑性变形。此外，数值结果证明了微凸体间的相互影响对弹流油膜厚度的形成有利。     

微凸体对直齿轮接触特性及疲劳寿命影响分析

齿轮在加载循环过程中,粗糙表面微凸体接触会在齿轮次表面形成应力集中,形成初始疲劳裂纹,降低齿轮使用寿命.为了进一步研究直齿轮表面微凸体曲率半径、高度对表面弹塑性接触特性的影响规律,利用Hertz接触理论和粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson理论,建立了粗糙齿面单微凸体法向正接触模型、粗糙齿面弹塑性接触模型和不同粗糙度的粗糙界面接触有限元模型,并验证了模型的正确性.通过模型结果与有限元结果分析得,增大微凸体曲率半径会使接触应力有所降低,微凸体越高所受接触应力越大,且微凸体高度对接触应力的影响大于微凸体曲率半径造成影响.根据模型所得结果利用基于多轴疲劳机理的Smith-Watson-Topper方法预测了不同粗糙表面疲劳裂纹萌生所需的加载循环次数.研究结果进一步丰富了对粗糙表面接触疲劳机理的研究.