考虑压剪组合作用力的双粗糙表面接触模型

粗糙表面的接触分析应用广泛,但其接触机理至今仍不够明确.有鉴于此,文中提出了一种考虑压剪组合作用力的双粗糙面接触模型.该模型用韦伯分布函数来描述双粗糙面的复合粗糙度,用球谐转向扩张函数来描述微凸体接触对接触方向的概率分布.分析表明:粗糙度对接触面的竖向和剪切刚度有明显的影响;接触对的方向分布对剪切刚度的影响显著,是模型中应包含的一个重要参数.数值分析与试验结果有很好的吻合度,说明所提出的模型是有效的.     

粗糙表面接触热阻的分形描述

空间制冷系统对精密探测元件的冷却是通过固体接触导热实现的，在真空低温环境下，它的冷却效果取决于界面的接触热阻．为了研究真空下接触界面的传热机理及其影响因素，采用Cantor集分形理论对固体粗糙表面的拓扑形貌进行了描述，基于固体的弹塑性理论解决了塑性守恒条件下的表面粗糙度在法向载荷作用下的变形问题，推导出基于分形理论的递归接触热阻网络模型理论．同实验数据的比较表明，理论计算和实验结果吻合良好，该模型能较好地描述接触界面的传热现象．     

基于有限元法的粗糙表面单峰接触模型

建立了弹塑性单峰接触有限元轴对称模型,分析了接触面积、硬度和接触力与干涉量的关系,并在有限元分析的基础上进行了经验公式的拟合。结果表明:弹塑性接触阶段材料的硬度随着接触几何变化而改变,而不是材料的常数,这与其他的研究是截然不同的。拟合得到的模型在弹性和弹塑性接触区域是连续的,可以应用于不同尺度的情况,将该研究结果代入到Greenwood-Williamson(GW)模型,可以在综合考虑表面弹塑性变形的前提下求解粗糙表面的接触问题。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

粗糙表面弹塑性接触连续光滑指数函数模型与法向接触刚度研究

针对微凸体在完全弹性、弹塑性和完全塑性变形阶段接触载荷和接触面积的不连续、跳跃和不光滑,以及平均接触压力的不单调问题,提出了一种新颖的近似指数形式的解析模型。在此基础上,利用分形理论进一步建立了粗糙表面在三阶段接触时的法向接触刚度和法向接触载荷与真实接触面积之间的解析模型,并进行了无量纲化处理。仿真分析了分形维数D、塑性指数Φ以及无量纲分形粗糙度参数G*对无量纲法向接触刚度K*_n和无量纲法向接触载荷F*_n的影响规律,并分析了K*_n随F*_n的变化规律。模型的仿真结果表明:K*_n和F*_n都随着无量纲真实接触面积A*_r的增大而增大;随Φ的增大或G*的减小,K*_n和F*_n的增速都变大;F*_n的增速随D的变化是先减小后增大,而K*_n的增速是指数增大;K*_n随F*_n的增大而增大,在D从1.1到1.9的变化过程中,K*_n随F*_n的增速是先增大后减小,在D1.51时,随着G*的减小,K*_n随F*_n的增速明显变大。利用法向接触刚度模型计算了哑铃模型的固有频率,计算结果与实验结果比较一致,验证了模型的准确性。     

3D粗糙表面的数字化表征与接触特性分析

为了研究粗糙表面的复杂接触力学行为,提出了一种关于微观两粗糙表面接触的有限元分析方法.通过3D粗糙表面的数字化表征方法,获得了具有不同统计特征的高斯或非高斯粗糙表面,在此基础上,通过自下而上的三维建模与六面体网格划分,构建了两粗糙表面接触的精细有限元分析模型.在不同法向载荷的作用下,分析了微观结合面的变形、接触压力、真实接触面积等接触特征及其加载卸载特性,揭示了结合面的力学行为规律,为微观粗糙表面的性能预测提供了一种有效的途径.     

摆线传动试验中接触温度和摩擦系数的测量

介绍在摆线传动的胶合模拟试验中接触温度和摩擦系数的测量方法,找出了接触温度、摩擦系数随载荷、速度、摩擦表面处理及润滑剂的变化规律。摩擦系数随载荷的增加而降低。采用特制摆线油承载能力的下限与上限分别是50~＃油的2.43～4.25倍;稳定运转时摩擦系数为0.04～0.048略高于50~＃机械油;油温最高时为100℃.试件表面磷化处理,胶合承载能力的上下限较不磷化可分别提高80～180％,摩擦系数由0.035降为0.029,油温最高为70℃.     

基于粗糙路面接触理论的轮胎动摩擦特性研究

提出了一种基于路面特性的轮胎动摩擦特性模型,研究了接触压力、滑动速度、路面特性对轮胎作用力的影响. 基于GW改进接触模型,引入粗糙路面实际接触理论,结合滑动摩擦因数模型、一般轮胎理论模型建立了轮胎动摩擦特性模型. 定量评价了接触压力、滑动速度和路面特性对实际接触面积、轮胎动摩擦力的影响,同时指出了轮胎印迹产生的可能性状态区域. 仿真结果表明,基于路面特性的轮胎动摩擦模型能够准确地反映接触压力、滑动速度、路面特性在轮胎滑移状态下对轮胎作用力的影响.     

湿式铜基摩擦副局部接触对摩擦因数的影响

考虑金属的热衰退特性及温度、压力和摩滑速度对混合润滑油膜的影响,建立了湿式铜基摩擦副局部接触摩擦因数计算模型,研究了摩滑过程中湿式铜基摩擦副局部接触状态下摩擦因数的变化规律,并通过销-盘摩擦因数测量实验对摩擦因数计算模型进行了验证.研究结果表明:摩擦元件屈曲变形导致摩擦元件间摩擦状态发生变化,在局部接触条件下,接触区摩擦状态随温度升高可分为油膜主导阶段、微凸峰主导阶段、摩擦因数上升阶段和热衰退阶段4个阶段.其中,油膜主导阶段会随摩滑速度的减小而消失.干摩擦状态下,摩滑速度对摩擦因数影响较小.在混合润滑状态下,摩擦因数随摩滑速度增加而下降,且温度越小摩擦因数衰减越显著.局部接触区平均面压较小时,压力对摩擦因数影响较小,当压力超过100 MPa时,接触面压力开始对混合润滑中的油膜主导阶段产生影响,此时摩擦因数随压力升高而增大.      

考虑弹塑性变形的结合面静摩擦系数分形模型

在传统的M-B接触模型的基础上,引入微凸体的弹塑性变形,建立了结合面静摩擦系数的分形模型.同时,建立了未考虑弹塑性变形的结合面静摩擦系数分形模型,并对两个模型进行仿真比较分析.结果表明:考虑弹塑性变形的结合面静摩擦系数大于未考虑弹塑性变形的结合面静摩擦系数;结合面静摩擦系数与法向载荷和材料特性参数呈正相关,而与分形尺度参数呈负相关;当1.1≤D≤1.5时,结合面静摩擦系数与分形维数呈正相关;当1.5≤D≤1.9时,结合面静摩擦系数与分形维数呈负相关.     

用于静摩擦力计算的接触界面势能模型

为从理论上直接计算光滑接触平面的静摩擦力和静摩擦系数，从微观上探讨了同种金属材料摩擦副静摩擦力产生的机制，利用金属晶体的强体积效应特征构造出简化计算静摩擦力的接触界面势能模型，根据通用粘附能量函数计算接触界面势能的变化，利用能量原理计算出静摩擦力和静摩擦系数，并建立静摩擦力与固体表面能、材料微观结构参数等的关系．利用已有的试验数据进行计算，其结果具有明显的规律性，并且与超高真空原子力显微镜观察到的铜试样的试验结果吻合较好，表明所提出的方法可行．由于表面能可以灵敏地反映摩擦接触界面的状况，采用所提出的方法有望提高计算精度．     

基于分形接触的湿度对静摩擦因数影响分析

采用分形接触模型推导并计算了由水膜的弯月面效应引起的附加静摩擦力,得到了由水膜的弯月面效应引起的附加静摩擦力的表达式,表明随着分形维数D的增大和分形粗糙度G的减小,计算的附加静摩擦系数增大,同时随着相对湿度的增加,水膜厚度增加,附加的静摩擦系数增加.     

岩土类摩擦材料单元力学模型探讨

根据岩土类摩擦材料的特性,基于力学基本原理,建立岩土类摩擦材料的单元力学模型.有限元对比计算结果表明,考虑摩擦的单元模型比较符合工程实际.     

有间隙带摩擦弹性接触问题的有限元分析

将接触区域的法向非嵌入条件及切向连续性条件作为惩罚项引进系统的总势能泛函 ,由最小势能原理 ,得出了求解有间隙带摩擦弹性接触问题罚有限元法的公式系统 .以实例说明了本方法的正确性及有效性     

考虑三维结合部形貌的静摩擦因数非线性分形模型

考虑三维结合部形貌的W-M函数,推导了结合部静摩擦因数非线性分形理论模型.数值模拟了考虑三维形貌的结合部静摩擦因数与法向载荷P、分形维数D、分形尺度系数G的关系,以及在二维分形和三维分形模型中的差异.结果表明:结合部静摩擦因数与法向载荷成单调递增关系,与分形尺度系数成单调递减关系.当D小于2.5时,静摩擦因数随分形维数的增大而增大;当D大于2.5时,静摩擦因数随分形维数的增大而减小;三维分形下的静摩擦因数小于二维分形下的静摩擦因数.     

有摩擦弹塑性接触问题的边界元法

本文同时考虑了两个物体接触时表面边界非线性和材料非线性,利用内外层循环分开处理方法,解决了边界非线性和材料非线性的耦合,用增量迭代法求得收敛解。考题证明,该方法是有效而精确的。