电磁轨道炮电枢-导轨接触表面状况数值研究

为了了解电磁轨道炮电枢-导轨接触表面的电热特性,采用接触表面热流量模型,利用有限差分法模拟了非理想电接触的热效应。研究了不同结构的电枢对接触压力和接触表面温升过程的影响以及摩擦对电枢运动状态的影响。计算结果表明:C型电枢与块状电枢相比可以提供更高的接触压力,其接触表面温度峰值更低,降幅达到31%,温度分布更加均匀;电枢的臂角角度降低15°,接触表面的温度峰值下降超过10%;摩擦延缓了电枢运动,速度下降约9%,不利于提高发射效率。     

滑动电接触表面粗糙度与接触电阻特性

为获得弓网摩擦副滑动电接触电阻与摩擦副表面材料粗糙度的关系,研究摩擦副表面粗糙度特性对接触电阻的影响,开展载流摩擦实验.从微观方面探究了接触电阻的变化规律,获得了接触压力、滑动速度、接触电流等不同实验条件对粗糙度和接触电阻的影响.研究结果表明:接触压力、接触电流越大,滑动时间越长,接触面粗糙度值越小,接触电阻越小;滑动速度越大,接触面粗糙度值越大,接触电阻越大.     

典型材料载流摩擦行为

用多种典型载流摩擦材料在自制载流摩擦试验机上系统研究了材料、载荷、相对滑动速度和电流对摩擦/载流行为的影响,探讨了载流摩擦过程中的表面行为。研究结果表明:摩擦磨损行为和电接触行为相互耦合,具有非常复杂的关系;接触压力、电流和相对滑动速度的变化显著影响载流/摩擦磨损行为,高相对滑动速度和大电流使摩擦磨损特性和载流特性明显下降;电弧侵蚀明显加大材料损伤;电弧对载流摩擦行为作用的途径包括氧化、熔融和最终的接触表面粗糙化。     

电磁轨道炮内弹道接触电阻分析

为了研究电磁轨道炮电枢和轨道之间的接触阻抗变化,本文通过建立U型电枢和简单轨道间的磁扩散模型,根据麦克斯韦方程组计算电枢和轨道间的接触压力与电磁推力。在考虑接触形式、接触压力的影响下根据霍姆电接触模型计算电枢运动过程中的接触电阻变化,并通过对电枢的动力学分析引入速度趋肤效应引起的附加接触电阻变化。采用Comsol Multiphysic有限元分析软件对电枢进行力学分析,然后通过该软件与MATLAB联合编程得到在电枢运动过程中接触电阻的变化曲线。发现接触阻抗的变化值为0.22～4.5 mΩ,并且电枢速度对其变化的影响较大。     

牙轮钻头滑动轴承接触参数的计算及力学分析

应用边界元法（ＢＥＭ）计算了两种牙轮钻头大滑动轴承的接触参数,讨论了外载荷、配合间隙、材料配对组合等因素对滑动轴承接触力学性质的影响。计算结果表明,小尺寸钻头上载荷的减小值与轴承结构尺寸的减小值不成比例关系,这是小直径钻头寿命短的原因之一。滑动轴承载荷增大时,峰值接触压力的变化幅度比接触区域的变化幅度大,前者又比载荷的变化幅度小,这说明该类接触问题是非线性的。轴承系统的径向间隙越小,相应的峰值接触压力越低;轴承摩擦副材料硬度越低,相应的峰值接触压力越低。     

干接触体滑动过程温度场的计算

该文建立无润滑条件下滑动接触模型,考察相对滑动过程中摩擦热的产生以及传导,并研究了工程实际中对胶合、磨损、局部塑性变形有重要影响的局部温升。利用快速Fourier变换,求解L ap lace热传导方程,获得了光滑及粗糙表面的瞬时温升,以及接触体的体内各离散点的温度,从而得到半无限体干接触的温度场。结果表明:局部接触压力和摩擦因数以及相对滑动速度是和摩擦热直接相关的3个参数,在相同载荷下的粗糙峰表面接触处的瞬时温升远高于光滑表面接触处的温升。     

滑动电接触表面微观形貌影响因素分析

为研究滑动电接触中粗糙度参数和粗糙面磨损均匀程度与摩擦副表面粗糙度的关系,在不同条件下开展载流实验,分析接触电流、接触压力、滑动速度和运行时间对摩擦副表面粗糙度的影响.研究结果表明:在相同条件下,运行时间越长、滑动速度越大,接触面粗糙度值越大,磨损越不均匀;接触压力越大,接触面粗糙度值越小,磨损越不均匀;随着接触电流的增加,接触面的粗糙度值呈现先减小后略微增加的变化趋势,磨损越来越均匀.     

滑动接触效应对裂纹尖端J积分值影响分析

采用断裂力学和有限元法对无润滑摩擦条件下滑动接触效应对摩擦表面裂纹尖端J积分值的影响进行研究,分别得到了不同摩擦因数、接触压力、裂纹长度和裂纹形态下裂纹尖端J积分值的变化规律.结果表明:摩擦效应对裂纹尖端J积分值的影响因裂纹形态不同而变化;对于竖直型裂纹,摩擦效应的增加加剧了裂纹尖端J积分值的变化;对于斜裂纹,在滑动至裂纹附近时,摩擦效应的增加减弱了裂纹尖端J积分值的变化.裂纹尖端J积分值波动幅度随着接触压力的增大而增大.相同接触压力和摩擦效应下,裂纹与滑动速度方向的夹角越小,裂纹尖端J积分值变化越显著.裂纹尖端J积分值随着裂纹深度的增加先增大后减小.     

离合器摩擦副实际接触面积模型研究

为了研究外部载荷对离合器摩擦副实际接触面积占名义接触面积比例的影响,利用Nano Map-D轮廓仪测量离合器摩擦片的表面形貌,得到表面形貌的评定参数;利用统计学原理建立摩擦副的实际接触面积模型,并运用Matlab软件对接合面接触模型进行仿真分析,获得接触模型的变化规律;最后利用感压试验验证了接触模型在离合器摩擦副工作油压范围内的有效性。分析结果显示,工作油压在0.5~1.5 MPa之间时,实际接触面积占名义接触面积的比例y与平均接触压力p之间的关系可近似为y=0.004p~3-0.028p~2+0.1305p,且在0.5 MPa和1.25 MPa时,误差小于5%。研究表明,在工作油压范围内,可得到离合器摩擦副外部载荷和实际接触面积占名义接触面积比例之间的关系。     

胶筒系统接触有限元优化设计

为了研究封隔器胶筒几何参数对密封性能影响,将套管、隔环、中心衬管和胶筒作为一个系统建立接触有限元优化设计模型。应用ANSYS的参数化设计语言APDL,编制其命令流。研究了几何特征参数和峰值接触压力之间的关系并进行了参数优化设计。结果表明：胶筒的总厚度对密封性能影响很大,胶筒子厚度对密封性能影响较小,胶筒的高度对密封性能的影响存在最优方案,接触倾角选取必须慎重。高度和接触倾角双因素优化设计结果显示：与初始方案相比,高度降低37.5%,接触倾角降低8.9%,峰值接触压力升高13.38%。     

含磨屑粗糙表面接触滑动摩擦副温度场的计算

接触温度是评价摩擦副工作性能好坏的一个重要因素 ,长期以来 ,人们对粗糙表面、特别是含磨屑粗糙表面接触温度场求解缺乏深入研究。本文介绍了粗糙表面及含磨屑粗糙表面线接触滑动摩擦副接触温度场的求解过程及方法 ,分析了光滑表面、粗糙表面及含磨屑粗糙表面接触温度场分布 ,探讨了表面接触温度对滑动摩擦副胶合及咬死的影响。结果表明 :粗糙表面温度场较光滑接触表面温度场有明显的提高 ,在粗糙度影响系数为 0 .1、0 .5时 ,接触区温度分别增加 14 %和 10 3% ;磨屑着床后 ,接触区局部温度将进一步升高。对于4 5#钢滑动副 ,考虑局部表面膜破裂后 ,磨屑着床点温度可以达到滑动副材料的熔焊温度。     

面接触应力分布与磨损分析

接触应力分布对工作表面破坏情况有着重要的影响。为分析磨损表面破坏情况,文中利用有限元法分析了三维滑块摩擦模型的面接触应力从静态到滑动的演化过程,并对平面应力的光弹实验进行比较研究。仿真得到了主应力差分布、表面接触压力分布和摩擦应力分布,分析结果表明:随着接触状态的改变,接触应力从集中在滑块边缘周围变成集中在运动方向前缘;载荷及摩擦系数对接触应力的影响较显著。平面应力场的光弹实验结果表明,接触应力集中在运动前方,与仿真结果一致。表面磨损实验结果表明:开始接触磨损时,滑块前缘出现最大损伤,对应的接触应力最大;随着磨损距离的增加,接触表面损伤由运动前方向后扩展,最后覆盖整个接触面;接触面所受的载荷越大,磨损程度越高。     

耦合因素对混合润滑滑动轴承特性的影响

低速工况下处于混合润滑状态的滑动轴承易因变形或倾斜而发生磨损。为分析轴颈倾斜和磨损对滑动轴承混合润滑特性的影响,建立了计入轴颈倾斜和弹性变形的平均流量方程、G-T接触方程和Archard磨损方程耦合模型,采用有限差分法及超松弛迭代法计算混合润滑状态下轴承特性参数和时变磨损参数,对比了轴颈倾斜前后或磨损前后轴承的润滑性能,并分析粗糙度和边界摩擦系数等因素对各性能参数的影响。搭建摩擦磨损试验台测试了倾斜状态下轴承的润滑特性,验证了理论模型的正确性。理论分析与试验结果表明：重载大偏心时轴承转变为混合润滑状态,轴颈倾斜程度越大,轴承越容易发生混合润滑;轴承倾斜后,压力峰值和接触区域形状发生改变,磨损量因而发生变化,并且磨损深度分布沿轴向或周向倾斜;磨损降低了油膜的动压效应,并且使膜厚比降低,导致油膜压力峰值下降约20%,接触压力峰值降低约90%,承载力最高下降约19.71%;对比磨损前后的轴承形貌发现,轴颈倾斜使得磨损集中于间隙减小的一端。该研究可为实际工程中轴承的设计提供理论依据。     

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。     

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。     

柔性接触压力下接触网导线的温度场仿真

为减小弓网系统温度分布对摩擦副电接触性能的影响,利用COMSOL Multiphysic软件建立了弓网系统温度场仿真模型,通过温升实验验证了模型的有效性.对柔性接触压力下接触网导线的热时间常数和稳态温升进行了仿真计算.随着滑动速度的增加,热时间常数逐渐减小,稳态温升呈现先减小后增加的变化趋势.随着接触电流的增加,热时间常数保持不变,稳态温升变化较小.相比于刚性接触压力,当滑动速度和接触电流恒定时,柔性接触压力下的热时间常数更小、稳态温升更低.     

高速轮轨黏着机理及特性的研究

该研究建立了水油介质污染条件下并考虑接触表面粗糙度影响的三维高速轮轨黏着数值模型;建立了考虑弹塑性接触和摩擦温升情况下的二维高速轮轨黏着模型;初步建立了考虑流变、弹塑性变形及温升的二维高速轮轨黏着模型。在三维模型中,轮轨间的液体介质可沿着横向和纵向流动,且粗糙峰沿横向和纵向分布的影响同时能得到考虑,与实际情况相符。考虑到三维模型的复杂性,在求解雷诺方程时采用多重网格法求解,利用多重网格积分法求解膜厚方程以加快求解速度。然后利用数值模型,以我国CRH2型高速列车的参数为基础,对轮轨黏着进行了数值模拟计算,研究了轮轨间存在水、油污染时,列车运行速度及轮轨表面粗糙度等对轮轨黏着特性的影响规律。数值结果表明:(1)水介质存在时列车运行速度增大会引起中心膜厚增大而引起黏着系数的急剧减小。(2)粗糙度增大引起膜厚比的减小,从而引起黏着系数的增大。纵向表面纹理有利于黏着特性的发挥。(3)将数值模型的部分结果与较低速度下的试验结果进行了对比,吻合较好,验证了数值模型在低速条件下的可靠性。在建立考虑弹塑性接触和摩擦温升情况下的二维高速轮轨黏着模型时,基于H.Chen的简化模型基础上加入了入口区温升、固体粗糙峰间的摩擦温升以及考虑Zhao等提出的微观粗糙峰间的弹塑性影响。对运行速度、接触压力等对黏着系数的影响进行了讨论。主要得出以下几个结论:(1)速度增大导致接触区内膜厚的增大,降低了固体承载比率,因而黏着系数下降。(2)接触压力越大导致固体部分接触压力增大,但是增大的量比总载荷增大的量小,固体峰承载的比率还是下降的,直接导致黏着系数的下降。速度相对于接触压力而言对黏着系数的影响更大。(3)弹性模型过高地估计了黏着系数,这对于保障列车行驶安全是不利的。(4)该模型考虑热效应的数值结果与日本新干线上的实测数据接近。该研究初步建立了一个同时考虑热效应(流体膜剪切及固体粗糙峰摩擦产生)、微观粗糙度弹塑性变形及流体的流变效应的高速轮轨黏着二维数值模型。采用多重网格法求解模型中的雷诺方程,以提高运算效率。整个求解流程采用压力-温度两场交叉求解,直到求得收敛解。利用该模型得到合理的数值结果。     

橡胶O形圈/不锈钢配副往复摩擦生热特性

采用含高阶项的Mooney-Rivlin本构模型对丁腈橡胶O形圈/316L不锈钢配副的往复摩擦生热特性进行有限元分析及试验验证.利用变参数法分析往复频率、摩擦系数、接触压力及环境温度对配副金属温度场的影响.结果表明:所建模型能较准确地分析橡胶/金属摩擦界面的摩擦生热特性.随着往复频率、摩擦系数和接触压力的增大,稳定阶段摩擦界面的温度升高;摩擦界面温升速率与初始环境温度无关;摩擦界面温度的稳定值与往复运动频率呈线性变化关系,与摩擦系数和接触压力呈"抛物线"状递增关系;摩擦过程中靠近摩擦热源的区域等温线较密集,温度梯度较大.     

干气密封补偿环O形圈的变形与应力分布规律

采用有限元分析软件ANSYS建立干气密封补偿环O形橡胶密封圈二维轴对称模型,对其在不同压缩率与介质压力下的变形、Von Mises应力及密封面处接触压力、接触摩擦应力分布规律进行探讨,确定O性橡胶密封圈易失效位置;分析压缩率和介质压力对其最大Von Mises应力、最大接触压力、最大接触摩擦应力的影响.分析结果表明:O形圈密封最大Von Mises应力、密封面最大接触压力、最大接触摩擦应力随介质压力的增大而增大,在中低压下提高O形圈的压缩率既能提高密封圈的密封性能,也不影响补偿环的追随性.为干气密封补偿环上的O形密封圈结构设计及选型提供参考.     

均化接触压力的螺栓连接结合面形状主动设计

为了改善螺栓连接结构的连接性能,以螺栓连接结合面作为研究对象,针对结合面接触压力分布以及有效接触面积,对结合面形状进行了主动设计研究。首先,利用有限元方法,将弹性体的接触界面离散化,从接触界面节点出发,建立了弹性接触问题数学模型,将界面节点处的接触间隙和接触压力的关系转化为数学规划问题。然后,利用该模型,提出一种以螺栓接触压力分布或有效接触面积等接触性能作为设计目标的螺栓连接结合面形状主动设计方法,通过改变结合面的表面形状即表面各节点处的接触间隙,实现改善螺栓连接接触性能的效果。最后,借助ANSYS参数化设计语言,将设计方法流程化,建立了单螺栓连接、法兰盘连接的分析案例,对主动设计以及增加连接件厚度的方法进行了对比分析。结果表明,该设计方法可降低接触压力的峰值和分布离散度,增加有效接触面积,与增加连接件厚度的方法相比,在同样的接触性能目标下还能保证连接结构的固有频率不下降,从而验证了所提主动设计方法的可行性和有效性。