考虑微凸体基体变形和相互作用的结合面法向接触刚度模型

针对以经典Greenwood-Willamson(GW)统计模型为基础建立的结合面法向接触刚度计算模型忽略微凸体基体变形和相互作用而导致的结合面刚度计算值增大的问题,建立了一种综合考虑微凸体基体变形和相互作用的结合面法向接触刚度模型。该模型以GW统计模型计算刚度的方法为基础,根据经典赫兹接触理论和弹性理论,在微凸体的总变形量中引入单个微凸体受法向载荷作用时基体的变形函数和周围区域的变形函数,采用不动点迭代法先后推导出单独考虑微凸体基体变形或相互作用时结合面法向接触载荷和刚度的表达式。对两种变形函数进行叠加给出了含微凸体基体变形和相互作用的结合面法向载荷和刚度的表达式,进而建立了结合面法向接触刚度模型。与GW统计模型进行了对比,仿真结果表明:考虑微凸体基体变形或相互作用的结合面法向接触刚度小于GW统计模型的法向接触刚度,在微凸体高度标准偏差为0.05μm时,最小结合面平均分离距离下考虑基体变形后结合面法向接触刚度下降9.8%,考虑微凸体相互作用后结合面法向接触刚度下降23.2%,此时微凸体相互作用比基体变形对系统的总刚度影响大。随着微凸体高度标准偏差的增大,前述两因素对结合面法向接触刚度...     

引线键合界面切向接触的黏滞-微滑移临界转换位置和能量耗散特性研究

针对键合界面的黏滞-微滑移接触现象,基于黏滞-微滑移临界位置的连续变形条件和边界条件,建立键合界面切向接触的数学模型;推导出键合界面切向接触不同位置的变形量,研究法向键合力和超声切向力对界面黏滞-微滑移临界转换位置和能量耗散的影响规律。研究结果表明：当增大超声切向力或减小法向键合力时,界面切向变形量呈非线性增加,微滑区自边缘向内延展,引线键合界面的黏滞区半径减小;当界面中心位置刚度等于单位刚度时,黏滞区半径与法向键合力呈正相关,与超声切向力呈负相关;当键合界面切向接触变形量增加时,微滑移区域产生的能量耗散呈非线性上升。     

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。     

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。     

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.     

表面微凸体形态对三体摩擦界面间隙的影响

为了研究颗粒介质三体摩擦界面间隙变化规律,文章利用显式有限单元法建立了具有不同微凸体形态表面的二维平行板剪切模型,利用该模型分析了法向载荷、接触摩擦因数对三体摩擦界面间隙的影响。分析结果表明:随载荷增加,尖锐微凸体模型中界面间隙呈减小趋势,圆滑微凸体模型中界面间隙保持不变;2个模型中界面间隙均随接触摩擦因数增加而变大,但变化幅度并不一致,剪切过程中颗粒体系的稳定性与其分布形态结构和颗粒间摩擦力密切相关。     

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.     

糙面土工膜表面微凸体的法向变形规律

土工膜在垃圾填埋场衬垫系统中具有重要作用,其中糙面土工膜（GMX）与无纺土工织物（GT）的界面强度较低且极易发生滑坡。糙面土工膜表面分布着高度不均且随机分布的微凸体,而微凸体的细观力学特性决定了GMX/GT的界面强度。本文利用改进的大型直剪仪对GMX/GT界面进行了单轴压缩试验,并用轮廓仪测量了压缩前后的土工膜表面轮廓高度。将GMX/GT的接触模型进行简化,研究了在法向载荷逐渐增加时的粗糙表面微凸体的法向变形规律。通过将理论结果和试验结果进行对比,明确了土工膜表面微凸体的变形过程,从细观角度揭示了糙面土工膜的法向变形机理。     

多微凸体粗糙面接触的有限元分析

研究一微凸体按近似余弦规律分布的粗糙面与一理想的半空间平面接触问题。运用有限元法分别对粗糙面与均质体、单覆层体及梯度履层体平面的接触问题进行了计算，并得到有关重要结论。     

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。     

单个微凸体接触过程中的闪点温度研究

为了对滑动摩擦副表面的闪点温度进行有效评估,以相对滑动粗糙表面上的单个微凸体间的瞬态接触导热过程为研究对象,假设两个粗糙表面上各自有一个微凸体发生接触,理论分析了滑动速度、最大贯穿深度、摩擦系数以及材料的热物性参数等因素对闪点温度的影响。研究表明,接触面中心位置处的闪点温度随着接触时间的延长而升高,在总的接触时长的82.5%时刻,闪点温度达到最大值,之后随着接触时间的延长,闪点温度逐渐降低,最大闪点温度比Archard模型的预测结果高10%。此外,最大闪点温度与滑动速度的平方根、最大贯穿深度的3/4次方、摩擦系数以及复合杨氏模量成正比,与热导率、密度和比热容的乘积成反比。该研究结果为后续滑动摩擦副摩擦磨损机理的研究奠定了理论基础。     

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.     

基于微凸体接触的钻柱纵向振动减摩阻

基于微凸体接触变形理论,建立钻柱纵向振动条件下钻柱与岩石间摩擦力的分析计算模型,探索钻柱纵向振动减摩阻规律。结果表明:钻柱纵向振动减摩阻的条件是钻柱相对于岩石运动速度小于钻柱纵振速度幅值,且振动减阻效果随振动频率的增大而增强,随振幅的增大呈现先增强后减弱的趋势,存在最优振幅,而随着钻柱与岩石间相对运动速度、相对法向压入量和摩擦系数的增大,振动减摩阻效果趋于弱化;钻柱振动频率、振幅、相对法向压入量、摩擦系数和钻柱与岩石间相对运动速度对振动减阻的影响作用依次降低,其中振动频率、振幅和相对法向压入量为显著因子。     

圆锥微凸体在粗糙表面接触分析中的应用

为了从微观角度研究粗糙表面的法向接触特性,构建了一种具有圆锥微凸体的有限元分析模型。对反双曲余弦应力进行定积分,获得了作用在单个圆锥接触区域的总法向弹性接触力;给出了圆锥顶点法向变形量与接触半径之间的拟合公式。数值模拟表明:反双曲余弦应力在锥尖处(接触区域的中心)有一个自然对数奇点,但作用在单个圆锥接触区域的总法向弹性接触力有边界;单个圆锥的法向弹性接触载荷随着半顶角的增加先增大后减小;结合部整体的法向接触载荷随着表面粗糙度的减小而增大;当法向最大变形量明显增大时,结合部整体的法向接触载荷随着法向最大变形量的增加仅有微小的增加;半顶角越大,单个圆锥的法向接触刚度也越大;随着圆锥顶点法向变形量的增加,单个圆锥的法向接触刚度先略微减小,而后保持不变;法向临界变形量较小时,结合部整体的法向接触刚度随着法向临界变形量的增加而近似于线性增大;表面粗糙度越小,结合部整体的法向接触刚度增加得越明显;法向临界变形量较大时,结合部整体的法向接触刚度趋于不变。     

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。     

爆轰反应区的能量耗散特性

从非平衡热力学和耗散结构论出发,导出了局部平衡的伴有热传导、黏滞性流动以及多组元反应的爆轰反应区内的能量耗散速率方程. 在多种耗散机制存在反应区内的情况下,视化学反应为主要弛豫过程,并认为爆轰中的化学反应由自由能和耗散函数决定,同时结合变分法和最优控制论中的极大值原理求得化学反应以最快耗散速率达到平衡所满足的条件.      

不同加载速率下胶结充填体损伤特性与 能量耗散特征分析

针对矿体回采所导致的充填体破坏可近似看作不同加载速率下的加载过程,在实验室开展了5种加载速率下的胶结充填体单轴压缩试验,在得到充填体应力-应变曲线的基础上,根据能量耗散原理及损伤力学,计算了不同加载速率下的充填体能耗值并构建了相应的损伤演化方程,研究了不同加载速率下胶结充填体的能量耗散与轴向压缩时间、应变间的内在关系,探讨了胶结充填体受压破坏的能量损伤演化过程.研究结果表明,不同于高强度的岩石,胶结充填体存在临界加载速率现象,当加载速率超过临界值后,充填体强度随加载速率增加而降低;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积应变能及总能耗量与加载速率呈二次函数曲线关系;充填体的总能耗量随轴向压缩时间、轴向应变的增大呈现Logistic函数形式增长规律,但加载速率的不同使得能耗值增长速率及充填体达到相同轴向变形所需能耗量存在明显差异;不同加载速率下充填体的压缩破坏均属同一类损伤过程,充填体受压破坏的能量损伤演化过程可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段.     

单轴循环荷载对煤弹塑性和能量积聚耗散的影响

为了研究循环加载对煤岩弹塑性和能量积聚耗散的影响,对二2煤进行了单轴压缩循环加载实验,分析得出首次加载、卸载、再加载弹性模量呈正相关关系;随着循环数的增加,弹性应变会表现出倒"U"形变化,塑性应变表现出"U"形变化的规律,由应变引起的弹性模量E、弹性能量指数Wet和能量耗散率Wed都表现出倒"U"形变化的规律,首个平均弹性模量变化率η为30%,耗散的能量j sd呈"U"形变化,当弹性能量指数Wet达到最大值时,冲击现象最容易发生;分析出微裂纹的萌生传播速度随应力振幅的增加而增加,微塑性变形速度也随之增加,弹性能量指数在压密和线弹性阶段随加载程度的增加表现出先增加后减小的趋势,在"弹塑性临界点"达到最大值.     

纳米级粗糙峰法向接触特性研究

为了突破有限元法在微观尺度下界面接触特性分析中的局限性,采用分子动力学方法研究纳米级粗糙峰的法向接触行为。利用大规模原子/分子并行模拟器(LAMMPS)建立3种不同半径的Cu单粗糙峰与金刚石刚性平面法向接触的分子动力学模型,从原子尺度模拟纳米级粗糙峰法向接触动态过程,分析法向接触力、实际接触面积、接触应力等参量的动态变化特性。结果表明：粗糙峰半径一定时,法向接触力、接触应力、实际接触面积与接触变形率正相关;接触变形率一定时,法向接触力、接触应力、实际接触面积均随粗糙峰半径的增大而递增;不同于宏观接触行为,由于原子间相互作用力,纳米级粗糙峰在法向初始接触阶段出现负的法向接触力以及非零的实际接触面积;粗糙峰的接触变形过程伴随着原子位错以及应力集中。     

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.