基于ANSYS的真实粗糙表面微观接触分析

基于材料弹塑性变形理论,采用激光测量仪测取零件表面微观形貌数据,使用小波对测量数据进行处理,提取不同层次的粗糙度,利用有限元分析软件ANSYS及其APDL工具,建立真实粗糙表面不同尺度上的微观接触参数化有限元模型,仿真分析了粗糙表面接触的弹塑性变形全过程。提出了基于ANSYS重启动分析、网格重划的多载荷步求解算法,以解决有限元微观接触分析过程中的网格畸变问题。通过通用后处理模块/POST1,提取了有限元分析结果文件中的真实接触面积、接触载荷、接触微凸体个数等接触参数,分析了多种不同粗糙度表面相互接触时接触参数的关系,以及不同尺度的粗糙面对接触参数的影响,为研究结合面的接触机理和连接性能提供了方法。     

微观随机粗糙表面接触有限元模型的构建与接触分析

基于相关文献提出粗糙表面模拟方法,通过软件工具在ANSYS中建立微观粗糙表面接触有限元模型,利用该模型分析载荷对弹塑性变形和接触面积的影响。结果表明:随着正压力的增大,粗糙表面上不断地有微凸峰与平面发生弹性接触变形,接触斑点(或接触斑点群)的数目逐渐增加,斑点中心区域的弹性变形很快达到最大,微凸峰负荷变形的同时也使斑点四周区域受到挤压;初始接触时,轮廓高度较大的微凸峰率先发生弹性变形,随着压力的增大,金属材料所受应力达到屈服极限同时粗糙表面的弹性变形和塑性变形的集中区域不断增加,真实接触面积不断增大;接触区数目的增多和接触区面积的增加都可以导致接触面上真实接触面积增加;随着压力的增大,真实接触面积的增大并不是由于接触区数目的增多,而是微观接触区面积的增大。     

真实粗糙表面接触模型的研究

真实工程表面并不是完全光滑的。当两物体相互接触时 ,真实表面实际上是微凸体间的接触。分析真实粗糙表面间的接触对研究摩擦、磨损和润滑起着非常关键的作用。合理地描述润滑状态和摩擦热边界条件也取决于对真实接触状态的求解。本文从 3个方面研究了粗糙表面接触计算模型的主要构成 :粗糙表面轮廓的描述、确定接触压力和表面位移之间关系的计算公式以及求解几何非线性接触问题的方法。最后给出了算例     

车削真实粗糙表面的弹塑性接触有限元分析

目前表面模型主要以统计数学方法和分形方法居多,不能真实的反应表面特征.通过Wyko NT1100形貌测量仪获得车削表面的形貌数据,利用最小二乘法对Bad点和噪声点进行拟合插值处理,然后通过逆向建模得到真实粗糙表面模型,运用有限元方法,研究了弹性阶段和弹塑性阶段无量纲化接触面积和位移随无量纲化载荷的变化关系.结果表明:利用测量数据格式与CATIA V5之间联系,可以建立真实粗糙表面的模型;在弹性接触阶段,无量纲化接触面积和位移与无量纲化载荷之间近似成线性关系;而在弹塑性接触阶段,当弹塑性切向模量Et较大时,无量纲化接触面积和位移与无量纲化载荷之间才近似成线性关系.当载荷一定时,Et越小,接触面积和位移越大,对于一定接触面积和位移的载荷也越大.     

平面磨削粗糙表面的微观接触模型

通过拟合实测平面磨削表面单个微凸体的轮廓数据,提出一种采用半周期余弦曲线回转体等效微凸体的方法。通过对实测表面轮廓的峰谷标记处理,获得了等效微凸体轮廓的尺寸参数。结合高斯分布,建立了能够更加准确表征平面磨削表面形貌特征的模拟表面。在模拟表面的基础上,基于接触力学理论与统计学理论,重新解算了微凸体在弹塑性变形区间的临界压入深度。推导出接触区域内接触参数与接触压力的解析关系,进而建立起一种针对平面磨削表面的微观接触模型。最后将实测平面磨削表面的统计参数作为接触模型数据仿真的初始值,将本文模型与CEB模型以及KE模型就平均距离和真实接触面积的预测结果进行了对比分析。结果显示,在相同接触压力的条件下,该模型相比CEB模型与KE模型所得到的平均距离与真实接触面积的预测值更大,并且三者之间的差值随着接触压力的增加而逐渐增大。结合不同微凸体轮廓假设对平面磨削表面微凸体轮廓数据的拟合结果来看,该模型对于平面磨削表面接触参数的预测结果更加准确且合理。     

三维真实粗糙表面弹性接触的全域数值解

本文提出了三维真实粗糙表面弹性接触问题的全域数值求解方法。这种方法采用网格规则划分和局部柔度矩阵存储解决了计算机存储问题;采用求解域收缩和逐次低松弛迭代解决了接触方程求解问题。运用这种方法可以获得真实粗糙表面弹性接触时全接触域内的压力分布与总载荷、接触图象及其实接触面积、接触变形与接触刚度等参数。计算结果与实测结果符合得较好。     

含涂层真实粗糙表面的弹塑性接触特性研究

运用有限元法、线性规划法和塑性增量理论对含涂层真实粗糙表面的弹塑性接触问题进行了分析。通过改变涂层材料的弹性模量、屈服极限及涂层厚度，研究了不同条件下接触面积与接触压力、平均间隙与接触压力的关系及变化规律，给出了3种数值方法的解与弹性解的比较，分析了各主要因素对接触压力、接触面积及平均间隙的影响。     

等温密封环粗糙表面微观动态接触离散建模与状态分析

根据密封环的结构形式和服役特点,提出在微观尺度内密封环动态接触过程的离散建模方法。基于移动元胞自动机算法,结合复合材料密封环多种组成材料的特点,对密封摩擦副两粗糙表面局部接触区域进行离散建模。根据实际的工况条件加载相应载荷,通过可视化的模拟过程获得密封接触面微观动态响应,表达出磨损颗粒和润滑油组成的机械混合层的形成与演变过程,研究表明机械混合层对密封动态接触有显著影响,在混合摩擦过程中起到流体润滑和固体润滑的双重效果;同时定量模拟密封接触表面颗粒的旋转角和速度场,分析微观磨损颗粒运动规律;模拟计算获得瞬态摩擦因数曲线及其拟合曲线,通过与实测数据对比发现具有较高吻合度。表明微观动态接触离散模型在密封接触研究方面的适用性,是密封及其相关摩擦副微观接触状态分析的有效方法。     

新的粗糙表面弹塑性接触模型

提出一种新型的粗糙表面弹塑性微观接触模型.该模型的建立基于接触力学理论和接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设.研究单个微凸体在载荷逐渐增加时的变形规律,并重点推出弹塑性变形区间的接触方程.在此基础上应用概率统计理论导出了粗糙表面的接触载荷、平均分离和实际接触面积之间的数学关系式.在不同的塑性指数和载荷条件下,该模型与GW弹性模型和CEB弹塑性模型就实际接触面积和法向距离的预测结果进行了对比.结果表明,在同样塑性指数和载荷条件下比GW模型预测的实际接触面积大但法向距离小,且两者的差距随塑性指数和载荷的增加而增大.因此该模型的预测结果更加符合人们的试验观察和直觉,能够更加科学和合理地描述两个粗糙表面的微观和宏观接触状态.     

粗糙表面接触模型的研究进展

实际工程中的接触表面都不是绝对光滑的,当两物体相互接触时,真实表面的接触实际上是微凸体间的接触.粗糙表面间的接触行为对摩擦、磨损、润滑、密封和传热等有着重要的影响,是摩擦学研究的主要课题之一.介绍了Hertz弹性接触模型、统计学接触模型和分形接触模型,对粗糙表面接触模型的研究现状和进展作了分析和评述.由Hertz模型只能求解一些几何形状比较规则的物体,应用范围非常有限;各种统计学模型都是经过简化的理想模型,这些简化究竟能导致多大误差目前还没有精确的分析;分形模型利用了包含全部表面粗糙度信息的分形参数D和G,其对粗糙表面接触性质的预测不受仪器分辨率和取样长度的影响,使预测具有惟一性或确定性.     

粗糙金属表面接触性能研究

计算粗糙金属表面接触性能时，通常忽略凸体之间的相互影响和应力场、特别是热应力场的影响，这给高副接触性能的计算带来误差。本文在考虑微凸体之间相互影响的基础上，计算了线接触金属摩擦副接触表层中的压力场、温度场及应力场（包括等温应力和热应力场）。结果表明：表面粗糙度对压力分布、温度分布及应力分布均有重要影响；热应力使最大总Ｍｉｓｅｓ应力移向表面，且随βｔ值的增大，总Ｍｉｓｅｓ应力迅速上升。这对研究胶合失效机理和边界膜成膜机理具有重要意义。     

工程表面重构及微观接触研究

针对目前使用表面测量仪数字化表征工程表面的方法中对表面拟合方面存在的不足,采用Pro/E软件对降噪、精简后的实测表面数据进行包络处理形成小平面特征,进而基于双三次B样条算法进行曲面拟合,然后生成实体,最后建立了工程表面与刚性平面的有限元接触模型,分析得出在不同材料参数下,结合面真实接触面积随载荷的变化关系。结果与前人的研究相符合,为下一步的机械结合面对维修装配性能的影响的研究打下了基础,具有一定的工程意义。     

工程零件粗糙表面建模方法研究

随着科技的发展,零件比表面积增加,零件表面几何形貌对设备性能的要求日益显著.由于需要借助有限单元法模拟零件表面上发生的物理、化学现象,因此对零件表面计算机建模的研究具有较强的理论和实际意义.介绍目前粗糙表面的主要建模方法,并指出各种方法的优点及其局限性.     

粗糙表面热弹塑性接触自适应无网格分析

为了在较真实地模拟接触状态的同时节省计算耗费,采用自适应无网格法求解粗糙表面热弹塑性接触问题.计算中考虑了屈服强度温度相关因素,将基于应变能梯度的自适应无网格法与线性规划一增量初应力法相结合,构建了热弹塑性接触自适应无网格分析模型,并给出相应的程序流程.通过粗糙表面与弹塑性平面热弹塑性接触算例进行验证,分别对两种不同工程材料考虑切向摩擦力、材料应变硬化和材料屈服强度温度相关等情况进行了讨论.结果表明,采用自适应无网格法能有效求解粗糙表面热弹塑性接触问题,在保证计算精度与整体加密相当的情况下,自适应加密的计算耗费约为整体加密计算耗费的10%.     

工程粗糙表面接触摩擦热力学研究进展

对近年国内外工程粗糙表面微观热力学的数值模拟的进展作了综述,介绍了工程粗糙表面的表征、接触模型、表面温升的计算模型与方法的研究现状,并提出了当前相关研究中所遇到的问题及今后研究发展方向.     

粗糙表面弹性微动接触数值研究

由于实际工程表面多为粗糙表面,这里研究了粗糙表面对微动接触中压力和切向应力的影响.研究接触过程中法向载荷保持不变,切向载荷为周期性的交变载荷.首先,建立接触算法和模型,其算法核心是利用共轭梯度法(CGM)计算微动接触中的表面压力及切向应力并使用快速傅里叶变换(FFT)加快计算速度.然后,在验证算法正确的基础上,分析正弦...     

粗糙表面分形接触模型的研究进展

工程表面具有分形特征,利用分形参数对表面形貌进行表征不受仪器分辨率和取样长度的影响。2个粗糙表面之间的接触行为对摩擦、磨损、润滑、密封和传热等均有着重要的影响,因而一直是摩擦学研究的重要课题之一。基于表面的分形特性而建立的接触模型,可使表面接触的分析结果具有确定性和唯一性。介绍分形表面形貌的Weierstrass-Mandelbrot函数生成方法并给出利用MATLAB程序生成的分形曲线和曲面,分析和评述近二十年来分形接触模型中单个微凸体的接触行为、接触面积分布与真实接触面积、接触变形方式与接触载荷以及总的真实接触面积与接触载荷之间的关系等方面的研究情况,并简单列举分形接触模型在机械学科中的应用情况。指出结合分形理论对表面接触行为进行研究是接触理论发展的必然趋势,为摩擦学研究提供新的思路。     

粗糙表面三体接触理论研究

摩擦表面间往往存在着硬质颗粒从而形成三体接触,而以前关于表面接触的理论和试验研究都停留在二体接触。通过理论分析得到了三体接触中接触副表面间距离、塑性变形量与第三体的粒度分布、外载荷、接触副表面微观几何参数及材料硬度间的关系,并进行了相应的数值计算和分析。结果表明,选择合适的表面粗糙度可使接触副的塑性变形量最小。     

管路连接件粗糙表面接触力学与密封性能分析

为研究真实管道连接件在拧紧力矩作用下的接触状态和密封机制,从而有效控制管路密封性能,以真实管路连接件为研究对象,对粗糙接触表面真实接触形貌数据进行实测,通过逆向建模工程建立粗糙接触表面有限元模型,利用有限元仿真分析方法得出真实接触面积比与平均接触应力的关系。结果表明,在开始施加位移载荷时同时发生弹性与塑性变形,随着载荷的增加,发生塑性变形区域越来越大,形成真实接触区域部分也逐渐增加。基于逾渗理论对接触界面进行栅格化模型模拟,通过寻径算法得出接触界面达到密封时所需要的最小真实接触面积比,结合仿真结果得到管路连接件接触表面达到密封时所需要的最小接触应力值。研究结果为管路连接件密封性能仿真分析提供重要密封评判指标,也进一步通过仿真分析得到管接头密封条件下的最小拧紧力矩提供参考。