基于热力耦合的摩擦系数计算模型与仿真研究

基于界面摩擦过程中摩擦功耗散为界面原子热振动的原理,通过对界面原子在界面势能场激励作用下热振动分析,建立了基于摩擦界面热力耦合过程的滑动摩擦系数计算模型。仿真分析表明：滑动摩擦系数随摩擦速度增加而增高;当摩擦界面实际接触面积与载荷成线性关系时,摩擦系数与接触面积无关,当实际接触面积接近名义接触面积时,摩擦系数随载荷的增加而降低;此外,滑动摩擦系数随晶格常数增大而降低,随原子质量减小而升高。     

基于热力耦合的滑动摩擦系数模型与计算分析

为预测和控制摩擦过程,通过分析界面原子在界面势能场激励下的热振动,建立了基于摩擦界面热力耦合过程的滑动摩擦系数计算模型.计算分析表明:滑动摩擦系数随相对滑动速度增大而增大;当摩擦界面实际接触面积与载荷呈线性关系时,滑动摩擦系数与接触面积无关;当实际接触面积接近名义接触面积时,滑动摩擦系数随载荷的增加而减小;此外,滑动摩擦系数随晶格常数增大而降低,随原子质量减小而减小.     

颗粒物质表面摩擦性质研究

颗粒物质的摩擦性质与普通的固态物质有很大的区别.通过两颗粒层表面间的相互摩擦实验发现:(1)表面粘有固定颗粒的滑块与离散颗粒层表面发生相对运动时,最大静摩擦力随颗粒层中颗粒尺寸的增大而减小;(2)滑块受到的滑动摩擦力与颗粒层数有关,颗粒层数小于三层时,滑块受到的滑动摩擦力随颗粒层数增加而增加,当颗粒层数大于等于三层时,滑块受到的滑动摩擦力不再增加.通过拟合得到最大摩擦力F与尺寸R满足F=A Bexp(-R/C)关系.     

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.     

干滑动摩擦单自由度系统的滑块运动特性及试验验证

采用符号函数和分段线性方法,推导干滑动摩擦力作用下单自由度系统的自由振动通解,分析了滑块的运动特性,运用动能定理对解析解进行了严格证明,然后通过Matlab数值仿真和滑块在花岗岩上的滑动试验进行验证。结果表明,干滑动摩擦单自由度系统中的滑块运动是一个具有线性衰减振幅的简谐运动;理论计算得出的滑块位移曲线中所有较高点形成上包络直线,所有较低点形成下包络直线;数值仿真和滑动试验结果与理论值非常接近,验证了所推导的位移解析解的有效性。干滑动摩擦单自由度系统自由振动通解的构建有助于求解该类系统的强迫振动通解。     

纳米尺度下对黏滑现象的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究了硅针尖在金刚石基底滑动的黏滑现象,讨论了纳米尺度下温度、滑动速度、载荷等因素对黏滑摩擦的影响.模拟结果表明,在纳米尺度下,原子排列规则的两固体间的滑动摩擦力呈现出周期性的锯齿型变化.摩擦力曲线的波动周期取决于滑动过程中基体沿滑动方向的晶格常数,同时受接触面原子排列结构变化的影响.在较低温度范围内,滑动摩擦力随温度的升高近似呈线性减小,对滑动摩擦力的波动周期和振幅影响不大.在一定速度范围内,滑动摩擦力主要受黏着作用的影响,滑动摩擦力的大小随速度的增大近似呈线性增大.在一定载荷范围内,滑动摩擦力随载荷的增大近似呈线性增大,振动周期变大.     

粗糙表面切向接触模型的数值分析与实验研究

为了预测关节界面切向运动特性,提出了一种基于KE(Kogut和Etsion)法向接触理论和Iwan模型的粗糙表面切向接触模型。通过考虑粗糙表面间发生切向运动的本构方程与Iwan模型进行对比,推导出一种基于可测量物理参数的摩阻片临界滑移力的概率分布函数。设计一种微动实验装置,三向力称重传感器和同轴激光可以实时同步测量关节界面的力和位移,压力垫圈实时监控微动过程螺栓预紧力的变化,从而获得精准有效的界面微动迟滞环。对获得的微动环进行分析表明：经过数个周期之后,测得的迟滞环形状趋于稳定;预紧力对关节切向刚度的变化具有较大的影响;连接界面达到大滑移之后,Q235摩擦副最大切向力几乎保持不变,而铝合金摩擦副最大切向力有小幅下降。进一步利用Masing准则,在临界滑移力概率分布函数的基础上推导加载和卸载过程的本构方程,将数值计算结果与实验结果进行比较,验证模型的有效性。研究结果可为实际工程中预测和分析机械组件的运行可靠性提供参考。     

非连续变形计算力学模型中的接触力元

阐述了多体系统中物体间的相对距离、接触的类型及其接触方式的判断法则,建立了物体间接触的力学控制方程及接触的传递与转换的实现方法·基于广义有限单元的物理覆盖的接触,以Coulomb摩擦接触准则为基础建立了接触力元,当非连续界面上的应力状态不违背Coulomb摩擦接触准则时,两侧的广义有限单元接触在一起,具有连续性;当非连续界面上的应力状态违背Coulomb摩擦接触准则时,两侧的广义有限单元具有非连续性,将产生相互滑移或脱离,分别相当于切向流动和法向流动·它可将连续性与非连续性有机地统一起来,为非连续变形计算力学模型合理地处理多体间的接触提供了力学分析方法·     

结构顺横风振综合被动控制的研究

在强风作用下，结构既可在两主轴方向产生顺风向风振，同时在两主轴之一产生顺风向风振时，另一主轴方向可产生横风向风振，当横风向结构自振频率与涡流频率一致时，可产生远大于顺风向风振的共振响应，因此在两主轴方向刚度等相差不大的情况下，两主轴方向在振动控制研究中都必须予以注意，文中采用交叉型被动阻尼器，为了充分发挥阻尼器的作用，采用作者建议的互通式管式液体阻尼器来代替单向的管式液体阻尼器，质量阻尼器也沿主轴     

直线运动滚动导轨副的法向接触力学模型

借助赫兹点接触形成椭圆接触区域的计算机制,考虑外加法向工作总载荷和法向预紧力,构建了直线运动滚动导轨副的运动结合部法向接触力学模型;采用第一类与第二类完全椭圆积分解算了椭圆离心率。给出一个滚珠斜向下压缩力与外加法向工作总载荷的隐函数方程,并重点推出了单个滚珠法向压缩量、滚珠法向接触刚度、滑块总压缩量、滑块整体法向接触刚度的解析解。数值仿真结果表明:单个滚珠的压缩量随着沟道曲率半径系数的增加而增加;滚珠的法向接触刚度随着单个滚珠压缩量的增大而向上凸弧式增大,但随着沟道曲率半径系数的增大而减小;滑块的总压缩量随着外加法向工作总载荷或沟道曲率半径系数的增大而增大,但随着预紧力、每列滚珠总数或接触角的增加而减小;当外加法向工作总载荷远远小于最大外加法向工作总载荷时,可视滑块整体法向接触刚度为常值;当外加法向工作总载荷接近最大外加法向工作总载荷时,外加法向工作总载荷对滑块整体法向接触刚度有显著影响,滑块整体法向接触刚度随着外加法向工作总载荷的增加而迅速减小;滑块整体法向接触刚度随着预紧力、每列滚珠总数或接触角的增加而提升,但随着外加法向工作总载荷或沟道曲率半径系数的增加而减小。结合部法向接触力学模型的建立将有助于分析直线运动滚动导轨副运动接触表面间的实际接触状态。     

Molecular dynamics simulations of atomic-scale friction in diamond-silver sliding system

Molecular dynamics simulations have been performed to explore the atomic-scale sliding friction, especially the stick-slip friction, in a system consisting of a diamond slider and a silver substrate. The mechanisms of the stick-slip behavior are investigated by considering sliding speeds between 10 m/s and 200 m/s.The analyses of the shear distance between the upmost layer and the downmost layer and displacements of a column of atoms in the slider show that shearing deformation of the slider is the main cause of the stick-slip phenomenon. Our simulations also present that a commensurate fit between the two contact surfaces is unimportant for the stick-slip friction.     

二维耦合干摩擦振子黏滑运动分析

针对工程中广泛存在的二维干摩擦问题,通过引入斜弹簧建立一种可考虑x,y两个方向耦合的振子模型。定义摩擦力方位角来描述动、静摩擦力矢量分量,并考虑振子振动过程中可能出现黏滞,提出了一种分析二维耦合干摩擦振子黏滑运动的方法,给出了二维耦合干摩擦振子黏滑运动的复杂边界条件。基于指数型动态摩擦模型对二维耦合干摩擦振子的黏滑运动进行了数值仿真,给出了x方向和y方向相同激振频率相同相位角、相同激振频率不同相位角、不同激振频率不同相位角3种工况下的仿真结果及系统解随激振频率和相位角的变化规律。仿真结果表明,二维耦合摩擦振子运动中可能出现黏滑状态转换;当x方向和y方向的激励频率和相位角均不相等时,与前两种工况相比,质量块的运动轨迹、系统相图均为更加复杂的平面曲线,同时一个周期内系统可出现多次黏滑转换;两个方向激振频率相同时,改变激振频率和激励相位角,系统的解均没有出现次谐波,振子为周期运动。所提出的方法可为进一步研究二维耦合干摩擦振子的动力学特性及运动稳定性提供参考。     

系统参数对自激振动系统动力学稳定性的影响

为了研究机床进给系统的黏滑运动特性,建立了基于Stribeck摩擦模型的具有代表性的质体-弹簧-传送带摩擦自激振动模型.利用李雅普诺夫稳定性判据对自激振动系统的平衡点进行了稳定性分析,获得了系统的临界失稳速度,又经过理论公式推导出了系统的临界黏滑速度.从数值仿真得到的相图和Poincare截面图可以看出,随着系统进给速度、阻尼和传动刚度的增大,动、静摩擦差值的减小,系统的黏滞运动持续时间变短,即系统的稳定性增强;低速状态下的自激振动分为黏滑和纯滑动两个阶段,且均为准周期运动;系统进给速度是影响系统稳定性的主要参数.     

非线性振动下卸载系统动力学及运动学特性分析

针对散体物料与振动卸载面间的摩擦、碰撞等相互作用导致的散体复杂运动行为或磨损等问题,基于库仑摩擦力模型及碰撞理论,建立具有非线性振动的卸载系统动力学模型.采用增量谐波平衡法和数值积分法,分别研究激励幅值和刚度比对系统动态特性、振动传递和散体物料流动规律的影响.结果表明,随着激励幅值和刚度比的增大,卸载系统的硬式非线性增强、多解区域变宽、力传递率减小并出现明显的延迟现象;由于轮胎及悬架非线性因素的影响,在相同工况下散体物料呈现出不同的流动状态,并且在跳跃、冲击后出现相对静止和相对前滑等现象.     

直线振动输送机物料运动状态分析

振动输送机输送物料在运动过程中受到不连续的摩擦力及碰撞力的作用,属于强非线性动力学问题.研究物料在不同振动条件下的运动状态对振动输送机的设计至关重要.以直线振动输送机上运动的物料为研究对象,基于Coulomb摩擦定律及碰撞原理,建立了物料滑动-跳跃运动模型.并利用所建模型,分析了不同振动条件下物料运动状态的变化.研究结果表明,在物料跳跃运动过程中,存在着正向滑动甚至反向滑动,滑动作用对物料的运动有一定影响.     

刀-屑局部摩擦因数建模及实验研究

基于黏着摩擦理论建立局部摩擦因数与接触面正应力和相对滑移速率之间的经验模型.采用试验方法来分析直角切削过程刀-屑接触面间的局部摩擦现象.设计的实验能够提供与实际切削相同的相对滑移速率和正应力条件.基于实验数据拟合并建立了基于正压力、相对滑移速率的摩擦因数经验模型.实验表明,在一定范围正应力和滑移速率下,摩擦因数随着接触面间的正应力、相对滑移速率的增加而降低.      

旋转摩擦诱发非旋转体的粘滑振动特性

以旋转体和端部有集中质量的弹性阶梯形悬臂梁系统为研究对象。在旋转圆盘以匀角速度转动的情况下,根据Lagrange方程,导出了系统的运动微分方程。从理论上计算和分析了旋转摩擦诱发梁端质量块的粘滑运动规律,并对影响粘滑运动的主要因素进行了讨论。     

摩擦参数对压电执行器振动特性的影响

提出了一种考虑运动学和振动解的摩擦振动模型,并用迭代法求解了压电执行器在运动体摩擦力作用下的振动响应.通过数值模拟和参数分析研究了运动体的速度v,正压力F_○N,相对滑动速度控制系数的延迟率C,静摩擦系数μ_○S及其下限μ_D,阻尼比ξ对于动态摩擦力和振动特性的影响趋势.结果表明压电堆的振幅随着F_○N,v,μ_S和C的增加而变大,随着μ_D和ξ的增加而减小.F_N和μ_S影响最大静摩擦力,μ_○D影响滑动摩擦力,v和C对黏着状态与滑动状态的转换以及摩擦状态转换过程中摩擦力的变化有明显的影响.     

基于蠕滑理论的滚珠丝杠副摩擦力矩预测

为了快速且准确地预测滚珠丝杠副的能量损耗、温升速率和磨损量,建立了新的摩擦力矩模型.利用蠕滑理论求得滚珠与螺母滚道接触界面间的摩擦力,由此推导出摩擦力矩模型,利用此模型对接触界面的蠕滑率或自旋率与摩擦力之间的定量关系、滑动速度和摩擦力的分布加以分析.同时,在滚珠丝杠副综合测试实验台上对摩擦力矩模型进行了实验验证.结果表明：蠕滑率与摩擦力之间存在非线性的渐变关系;接触面上的自旋会引发一个垂直于滚动方向的摩擦力;接触面上的切向运动和自旋运动具有很强的耦合效应;滚珠丝杠副摩擦力矩模型的理论值与实测值吻合较好.