粗糙机械结合面的接触刚度研究

为准确进行计入粗糙接触界面影响的组合结构动力分析,基于弹塑性理论对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析,给出了根据受力和变形关系计算粗糙表面接触刚度的方法,得到了不同载荷作用下的法向和切向界面接触刚度.计算结果表明:表面形貌造成的接触应力分布不均匀和局部塑性变形导致法向界面接触刚度随着压力的增加先增大后减小,并随着表面粗糙度的增加而降低;切向界面接触刚度随着法向载荷和摩擦系数的增加而增加,随着切向载荷的增加而减小.当切向载荷增加到一定值时,接触界面将由微观滑移转化为宏观滑动,摩擦界面连接失效.     

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。     

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.     

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。     

一种结合面法向接触刚度计算模型的构建

摘要：
为了预测2个固体粗糙表面接触时结合面的法向接触刚度,采用分水岭分割方法获得了粗糙表面三维微凸体的尺寸与空间分布;基于弹塑性接触理论推导出单对微凸体侧接触时接触载荷与接触变形的关系,并通过确定粗糙表面上每个微凸体的变形类型与接触载荷,计算了结合面的法向接触刚度.将计算结果与实验结果进行比较,验证了该方法的有效性.
关键词：
粗糙表面; 形貌; 侧接触; 法向接触刚度
中图分类号： O 343.3
文献标志码： A     

机械固定结合面刚度特性建模

针对机械结合面G-W接触模型和M-B接触模型存在的不足,基于分形理论,提出一种能描述2粗糙面接触的配对几何粗糙特性的法向刚度力学模型.该模型在几何尺寸上独立,给出了结合面面压与刚度的解析解,能有效求解结合面配对接触的法向刚度.根据应变能相等的原则,把结合面法向刚度和切向刚度折合成连续体的材料属性,建立了描述结合面特性的虚拟材料模型,试验证明了该方法的有效性.     

考虑粗糙表面接触的连接面黏滑摩擦建模

基于Kragelsky-Demkin粗糙接触理论和Iwan迟滞非线性模型,建立了一种考虑界面粗糙度参数的连接界面非线性力学模型。首先建立了连接界面恢复力分布与表面粗糙度参数之间的关系,导出了临界滑移力的分布密度函数;然后结合连续Iwan迟滞非线性唯象模型,导出了连接界面切向载荷与切向相对位移之间的关系,以及界面单位周期能量耗散与切向振荡载荷幅值之间的关系;最后研究了粗糙度参数对界面宏观力学行为的影响。结果表明:建立的模型能够直接反映界面宏观力学响应与表面粗糙度参数之间的关系;连接界面切向恢复力与相对位移之间为非线性关系,切向连接刚度随相对位移增大而减小;激励幅值相同时,表面粗糙度参数越大,则切向连接刚度越大,单位周期的能量耗散越小;当激励幅值不足以引起宏观滑动时,单位周期能量耗散与激励幅值之间为幂函数关系。     

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。     

虑隧道表面特性的硬岩全断面掘进装备撑靴接触界面刚度分析

采用修正的各向同性三维分形表面的W M函数构造隧道掘进机掘进后的隧道粗糙表面;考虑法向支撑载荷作用和岩石在压缩载荷下的失效机制,建立了掘进机撑靴与岩石粗糙表面法向接触刚度模型.研究变载荷工况下,不同粗糙隧道表面特性与掘进机撑靴接触界面刚度特性变化规律.结果表明：岩石的失效对接触刚度特性影响明显,相同的载荷下,岩石的失效会带来接触刚度的减小;当岩石弹性模量相同时,接触刚度随着硬度的增大而增大;当岩石硬度相同时,接触刚度随着弹性模量的增加而减小;随着外部载荷的增加,粗糙表面的接触刚度随之增加,而表面粗糙度的增大会引起界面接触刚度相应减小.     

斜齿轮时变啮合刚度算法修正及影响因素研究

针对势能法计算斜齿轮时变啮合刚度精度不足问题,提出一种刚度修正算法.考虑端面重合度大于或小于轴向重合度两种情况下单齿接触线长度的不同表达形式,建立齿根圆与基圆不重合时的变截面悬臂梁模型,采用切片法和积分思想推导并计算了斜齿轮啮合刚度,通过与ISO算法和有限元法对比分析,验证了该修正算法的可行性.在此基础上,探讨了螺旋角、模数、齿数、齿宽和压力角等参数对啮合刚度的影响.计算与分析表明,啮入段的相对时间与端面重合度和轴向重合度大小及比重有关;齿轮基本参数的变化引起重合度和单齿啮合刚度的改变,进而影响综合啮合刚度波动值和均值;当端面重合度或轴向重合度在整数附近时,啮合刚度波动值较小,而总重合度在整数附近时,啮合刚度波动值较大.与传统势能法相比,修正算法提高了斜齿轮时变啮合刚度的计算精度,在斜齿轮刚度激励的准确计算方面具有较强的实用性.     

水泥混凝土路面传力杆应力分析力学模型

应用三维有限元模型分析水泥混凝土路面中传力杆与水泥混凝土的接触状况,并基于弯曲刚度等效原则将传力杆和水泥混凝土面层系统简化为双层梁结构.计算结果表明,弹性地基上双层梁结构可很好地描述水泥混凝土路面的挠曲效应,而接缝处的双层梁相对位移、转角、以及挤压应力合力与三维有限元解的差异,只需对双层梁层间竖向反应模量进行修正即可;随后,总结归纳了相对位移、转角及挤压应力合力修正系数的回归式,讨论给出了接缝传力杆的抗剪刚度与抗弯刚度的计算式,并指出传力杆的传递弯矩的能力很小可忽略.最后,计算分析了梁端部作用集中荷载时,有基层的地基梁接缝传荷问题,指出在接缝抗剪刚度相同条件下,基层存在可使接缝两侧挠度比增大,接缝传递的剪力减小.     

基于线性互补算法的叠梁接触规律研究

确定叠梁层间发生接触的区间及接触力分布规律是叠梁计算的关键.为克服以往解析解答得到的结论不合实际的现象,将叠梁接触问题构造为线性互补问题,并给出其一般求解过程.为验证该法的合理性,以梁与刚体接触问题的Timoshenko解答与胡海昌解答为例进行对比分析.在此基础上,对典型荷载作用下的叠梁接触问题进行了计算,并对其影响因素进行了深入研究.最后得到如下主要结论:刚度比、荷载作用形式以及剪切挠度对叠梁层间接触规律影响均非常明显;考虑剪切变形影响时,叠梁接触力由集中力变为分布力;集中力作用下,叠梁接触趋于点接触,均布力作用下,叠梁接触趋于线接触;上下梁刚度相等是叠梁接触力分布规律的一个转折点,不同的上下梁刚度比会得到不同的接触规律.     

混凝土与混凝土接触特性的试验研究

为分析混凝土与混凝土接触特性,采用直剪试验和单轴压缩试验分别研究了混凝土与混凝土接触法向和切向接触特性。试验结果表明接触面剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性变形阶段、塑性硬化变形阶段;剪切应力达到峰值后,接触面仍处于较高的应力状态,试件局部位置出现破坏。Archhard非线性摩擦幂次准则能够较好的描绘出剪切应力峰值与轴向应力的关系,为相似接触条件问题剪切应力峰值的估计和预测提供依据。在混凝土未产生破坏时,接触面的法向和切向接触刚度可分别取值为28.95、12.77MPa/mm,为相似接触条件的分析计算提供参考。     

新型框剪结构在地震作用下的性能研究

抵抗水平荷载与地震作用是高层建筑结构设计的主要矛盾,剪力墙结构、框架-剪力墙结构是常用的抗侧力结构体系。其中,跳层剪力墙结构尚处于理论研究和试验检验阶段。借鉴跳层剪力墙结构的纵向布置思路,对传统框架-剪力墙结构的墙体做了错列布置,得到框架—跳层剪力墙结构,并从概念设计的角度比较了不同高宽比、不同墙体布置方案的新型框剪结构与传统框剪结构在地震作用下的表现,结构在地震作用下的反应借助MIDAS/GEN软件进行计算。通过对时程分析结果进行讨论分析,得出结论:新型结构体系在地震作用下具有更好的侧向刚度。     

不同摩擦系数的少片变截面钢板弹簧性能分析

采用不同材料的板簧垫片,簧片间摩擦系数亦有所不同,因此设计钢板弹簧时仅考虑钢与钢的接触摩擦将造成其性能分析结果的不准确.针对这一问题,利用ANSYS软件的接触非线性功能,对少片变截面钢板弹簧的等效应力及刚度特性进行分析,得到不同摩擦系数下的VonMises应力分布和载荷-变形曲线,重点讨论了摩擦系数对钢板弹簧应力及刚度特性的影响;同时对钢板弹簧进行相应的性能试验.结果表明:少片变截面钢板弹簧的应力计算值和测试值误差较小,刚度仿真计算值和试验测量值基本吻合,相对误差小于5%,说明有限元分析能精确地模拟各簧片间的接触和摩擦问题,真实反映钢板弹簧的受力和变形情况,可用于研究簧片间不同摩擦系数对钢板弹簧应力及刚度特性的影响.     

宽斜齿轮副啮合刚度计算及扭振特性的研究

该文以宽斜齿轮副接触线的长度变化代替齿轮瞬时啮合刚度的变化，建立了宽斜齿轮副单自由度扭振动力学模型；运用傅立叶级数的形式，计算了一对宽斜齿轮副的瞬时啮合刚度及一对啮合轮齿的啮合刚度；采用四阶变步长Runge-Kutta法，求解出在给定时间范围内系统的动态响应，分析了齿轮副在误差及刚度激励作用下系统的扭振特性，并根据位移动态响应求出齿轮副的动载系数。     

框架-核心筒结构中框架承担最小剪力比例限制的合理性

我国规范《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》规定框架-核心筒结构中框架部分按刚度计算承担的楼层地震剪力最大值不宜小于基底总剪力的10％,而实际工程受建筑布置等因素的限制有时难以满足,工程界对此颇有争议。为探讨其合理性,设计了五个钢筋混凝土框架-核心筒结构,主要的变化参数为框架刚度、框架强度、连梁的形式。利用PERFORM-3D软件进行了弹性反应谱分析和小震、中震和大震下的动力时程分析,考察了各个结构的响应规律。分析表明：当框架部分按刚度计算承担的剪力最大值小于基底总剪力的10％时,增大框架刚度的做法不经济,结构的抗震性能反而更差;增大框架强度的做法减小了框架梁的损伤,改善了结构的抗震性能,但没有形成有效的“强柱弱梁”机制;采用宽连梁和可更换连梁都可以使核心筒自身具有双重抗震体系特征,连梁耗能能力的提高有效地保护了墙肢和外框架,结构的抗震性能得到了显著改善。     

电动车高速轮边齿轮传动动态特性分析与优化

针对某电动汽车高速轮边减速器振动大、噪声强度高等关键问题,建立该减速器齿轮传动系统动态啮合分析模型,对额定功率、最高转速与最大转矩3种工况的各级齿轮副的啮合特性与动态响应进行计算,分析系统振动结构噪声幅值及其分布规律,研究关键重合度设计参数对系统动态啮合性能的影响,基于MASTA提出传动系统宏观几何参数优化方案。研究结果表明:各工况下输出级齿轮副的传动误差峰峰值偏大,高速输入轴轴承处的结构噪声最大;与轴向重合度为非整数设计工况相比,当齿轮副的轴向重合度接近整数时,齿轮副接触线长度变化率较小,啮合过程中接触载荷波动较小,啮合刚度变化率明显降低,齿轮箱各轴承处结构噪声得到明显降低;宏观几何参数优化方案使得各齿轮副动态性能得到一定的提升。