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。     

椭圆抛物体形微凸体弹性接触力学模型

为了更准确地描述粗糙结合面的微观接触特性,构建了一种椭圆抛物体形微凸体曲面弹性接触模型。该模型同时考虑了微凸体正接触与侧接触的情形,采用了Weingarten映射的方法来求解接触点处的曲率,并结合赫兹曲面接触理论进行求解,得出椭圆抛物体在弹性侧接触时的接触面积与接触位移的解析公式。讨论了微凸体在不同相对位置下及不同椭圆率的情况下接触面积与接触位移的变化,并通过有限元仿真与该模型进行了对比计算,结果表明:椭圆率对接触面积、接触位移的计算结果影响较大,当椭圆率在超过0.9后,两微凸体接触面积迅速减小,接触位移迅速增大;提出的模型与有限元模型结果相比,两微凸体接触位移计算结果差异最大为10%,接触面积结果差异最大为6.2%。该模型同样适用于求解几何模型具有二阶连续偏导数的微凸体弹性接触问题,为研究形状更为复杂的微凸体接触奠定了基础。     

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。     

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.     

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.     

考虑微凸体相互作用的确定性接触模型

为了分析粗糙表面上微凸体相互作用对接触特性造成的影响,在确定性接触模型的基础上,通过增加几何重叠和固体表面能等约束条件,并且根据材料守恒原理对相互作用的微凸体进行合并。通过不同的法向变形量、采样间隔和粗糙度,分析微凸体相互作用对接触面积、峰数量、平均峰半径和峰高度的影响,并且与未考虑微凸体相互作用的结果进行对比。结果表明:不论是否考虑微凸体相互作用,接触面积与法向载荷的关系均为线性,这与已有结论是吻合的;对于小的法向变形量和大的采样间隔,微凸体相互作用可以忽略,但随着法向变形量增加、采样间隔减小以及不同的粗糙度,对接触特性的影响愈加明显,与未考虑微凸体相互作用的结果相比,微凸峰数量减少,而接触面积、平均峰半径和峰高度增加。引入几何重叠和固体表面能为考虑微凸体相互作用提供了一个行之有效的研究方法。     

酸蚀裂缝表面微凸体变形破碎规律

探讨酸蚀裂缝面上微凸体在地层应力作用下变形破碎规律,为酸蚀裂缝闭合机理提供理论依据。从初始和酸蚀后裂缝表面微凸体的受力分析入手,用Herz弹性接触理论和Drucker-Prager屈服破坏准则解释了酸蚀裂缝表面微凸体变形和破碎规律,结果表明,在地应力条件下初始裂缝表面微凸体受力平衡不会发生变形破碎,酸蚀后裂缝表面微凸体在承压时的变形程度与地应力、岩石的弹性模量及酸蚀后微凸体的曲率半径有关。当酸蚀后裂缝面微凸体的曲率半径大于其发生破碎的最小曲率半径时,酸蚀裂缝可保持较大的开度及导流能力。     

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.     

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.     

撞击物对复合材料层合板冲击损伤特性的影响

针对一种采用预浸料成型工艺制备的复合材料层合板,开展不同撞击物作用下复合材料层合板低能量冲击损伤特性研究. 通过对比相同冲击能量（60 J）下,钢球、铝球和聚合物球撞击复合材料层合板的落锤/气炮冲击试验结果和冲击后含损伤结构的压缩试验结果,研究了不同撞击因素对复合材料低能量冲击损伤面积和剩余压缩强度的影响. 结果表明,相同冲击能量下,同种材质撞击物（不同质量）以不同速度冲击复合材料层合板的损伤特性相似;而不同材质撞击物（不同弹性模量和泊松比）得到的结果差异显著. 结合赫兹接触理论,初步解释了撞击物弹性性能影响接触刚度和冲击损伤程度的规律.      

车轮多边形情况下轮轨接触算法

接触斑的法向应力分布是轮轨动力学分析和轮轨磨耗计算的基础。铁路车辆采用的磨耗型踏面出现多边形时,接触点处的轮轨横向曲率和纵向曲率都随接触位置的变化而变化,此时最常用的赫兹接触方法的精度难以保证。非赫兹方法的计算精度高,但其效率不能满足工程计算要求。应用非赫兹方法分析了车轮多边形引起的轮轨纵向曲率变化对接触斑的影响,发现当车轮多边形波长大于65 mm时,多边形对接触斑应力分布的影响可忽略不计。然后提出了改进的半赫兹方法,并对不同接触位置的接触斑形状和应力分布进行对比分析,结果表明：多边形波长大于65 mm时,改进的半赫兹方法在与非赫兹方法的结果保持一致的同时,大大缩短了计算时间。     

冷轧支承辊剥落原因分析及对策

本文对我厂支承辊剥落原因进行了分析,得出支承辊剥落是由于接触高点应力集中导致次表层产生疲劳裂纹,疲劳裂纹向表层扩展最终产生剥落。     

两弹性接触粗糙表面的最小二乘法拟合解

GW干接触模型在算法上存在5个缺陷,会引入工程上无法接受的误差．根据Hertz接触理论和抛物柱面函数的离散值,对两接触粗糙表面的接触行为进行了研究．当粗糙表面峰高的概率密度为Gauss分布时,给出了7个量纲一的参数与量纲一的表面间距的关系,给出了最小二乘法拟合解．计算表明：量纲一的最大名义压应力为0．5732,平均弹性接触硬度系数约为3．2,接触压应力系数约为0．32．研究结果说明：单峰接触面积与名义压应力几乎无关,接触压应力与名义压应力几乎无关,接触面积与载荷近似成正比,接触点数与载荷近似成正比．     

重载条件下线接触弹流问题的数值分析

提出了等温线接触弹流问题的完全数值解，通过逆解迭代计算方法，获得了不同工况条件下的油膜压力分布、油膜厚度和油膜形状。在计算过程中引入变形矩阵计算弹性变形，利用变形逆阵修正压力分布，都取得了令人满意的效果。提出的计算方法适于求解在工程实践中常遇到的重载线接触问题，所得到的计算结果中最大Ｈｅｒｔｚ接触应力与 润滑油的压粘系数之积为３８．９３。结论与Ｄｏｗｓｏｎ等人的理论是基本—致的。     

重载点接触热弹性流体动力润滑问题的数值解

本文基于修正的赫芝压力分布,取得了重载点接触热弹流(TEHL)问题的数值解,得到了温度分布、油膜厚度和摩擦拖曳力.润滑剂的粘度与压力、温度之间的关系由茹兰兹公式确定,摩擦拖曳力的计算,分别采用了热牛顿模型和恩瑞模型.本文的结果同Bruggemann等人的计算和实验结果进行了比较,取得了较好的一致性.计算结果表明:滑动速度、载荷对接触区内的油膜温升影响很大;在滑动速度较大时,热解的油膜厚度大大低于等温油膜厚度;采用恩瑞(Eyring)模型计算摩擦拖曳力较为理想.     

线接触弹流问题弹性变形方程的快速卷积算法

根据数字信号系统的分析方法,提出了弹性体受力变形的信号系统模型,在时域和频域内对该系统加以描述。利用信号分析的快速傅里叶变换及其卷积性质,实现了线性接触弹性问题弹性变形方程的快速计算,其计算工作量为０（Ｎｌｏｇ２Ｎ）。通过对Ｈｅｒｔｚ压力分布的接触区弹性变形计算,表明弹性变形方程快速卷积算法的计算精度与现有算法相当,而计算时的存储空间开销则大大低于现有算法。因而,弹性变形方程的快速卷积算法在弹流计算中具有实用价值。     

滚动球轴承损伤故障动力学建模与仿真

基于动力学模型的故障机理研究可深入了解故障出现后滚动轴承的振动响应特征,并可为故障诊断提供依据。构建了滚动球轴承的故障动力学模型,该模型中每个轴承元件(滚球、内圈及外圈)具有6个自由度,且考虑了元件之间的相对滑动和润滑牵引特性以及基座的动力学特性。在对局部损伤进行建模时,完整考虑了损伤出现后由于材料缺失而引入的额外间隙,以及损伤对赫兹接触刚度及接触载荷作用方向的影响,同时在时域和频域对特定故障模式(外圈和内圈分别具有局部表面损伤)下轴承的振动响应问题进行了分析。仿真结果表明,由于动力学模型考虑了滚球和滚道之间的滑动和润滑牵引,因此计算得到的故障特征频率比基于纯滚动和简单运动学假设以及拟静力学的计算值更为精确和合理。利用已有文献的实验结果验证了本模型的正确性。     

齿轮箱耦合系统三维接触非线性动态特性仿真

针对现有齿轮传动系统动力学模型和研究方法的不足,提出了基于完全弹性体的齿轮传动系统动态分析方法.以某型船用齿轮箱传动系统为研究对象,基于显式动力学有限元法,考虑部件之间的耦合作用建立了箱体-轴承-斜齿轮副三维动态接触非线性模型.对整体齿轮箱传动系统进行了动态仿真,得到了关键部件的动力学特性,并与非耦合模型动态性能仿真结果进行比较.结果表明:滚动体与齿面应力呈不均匀分布,部件间的耦合作用加剧了齿轮箱的冲击效应.最后采用赫兹线接触理论进行了验证.     

SMA增强复合材料梁的低速冲击响应分析

以形状记忆合金纤维增强复合材料梁为研究对象，应用有限元法对其低速冲击响应进行了分析。采用Newmark直接积分法求解有限元动力方程，并考虑了形状记忆合金对刚度矩阵的影响；同时，利用Hertzian接触定律确定冲击接触力；分析结果表明形状记忆合金能有效地改善复合材料梁的低速冲击响应能力，它的最大位移与最大压应力都有明显减少。