螺栓结合面微观接触特性的不确定性量化

针对螺栓结合面微观接触特性具有不确定性,传统基于确定性理论建立的模型难以完整表征结合面微观接触特性的问题,提出了一种基于蒙特卡洛法的螺栓结合面微观接触特性的不确定性量化方法。首先,基于分形理论,表征了同一粗糙度结合面微凸体轮廓高度,并采用矩谱法求解了结合面表面形貌参数区间;其次,利用中心极限定理,将表面形貌参数区间变为符合微凸体轮廓高度分布的高斯分布函数,解决了随机抽样误差的累加造成的置信水平降低;最后,将表面形貌参数的不确定性嵌入蒙特卡洛法,获得了结合面接触特性的区间估计,通过对比分析揭示了考虑不确定性因素时接触间隙对接触特性的影响规律。研究表明,表面形貌参数的不确定性对螺栓结合面接触特性变化具有显著影响,并导致不确定性的影响不断累加。该方法为准确量化螺栓结合面的不确定性提供了理论依据与参考。     

尺度相关的分形结合面法向接触刚度模型

基于分形理论,利用双变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟三维分形结合面,建立尺度相关的三维分形结合面法向接触刚度模型。推导出各等级微凸体发生弹性、弹塑性以及完全塑性变形的存在条件。确定结合面上各等级微凸体的面积分布密度函数,推导出法向接触刚度和法向接触载荷的解析表达式。计算结果表明：当结合面上的微凸体只能发生弹性变形,即自身等级小于弹性临界等级的微凸体,该部分微凸体引起的法向接触刚度和对应法向载荷关系呈非线性。当微凸体的等级大于弹性临界等级,在结合面接触过程中,微凸体弹性变形引起的法向接触刚度与对应的法向载荷关系为线性,非弹性变形引起的法向接触刚度与法向载荷关系为非线性。微凸体的等级范围对结合面的刚度影响较大,在相同的法向载荷作用下,高等级微凸体的结合面产生较高的法向接触刚度,即结合面越平整,结合面的法向刚度越高。     

基于分形几何与接触力学理论的结合面法向接触刚度计算模型

基于分形几何理论和接触力学理论,用分形理论表征粗糙表面微凸体参数,考虑微凸体由弹性变形向弹塑性变形以至最终向完全塑性变形转化的过程,建立各变形阶段微凸体的接触刚度模型。在此基础上,提出机械结合面法向接触刚度计算模型,该模型揭示了在不同的塑性指数下,结合面法向接触载荷与法向接触刚度之间的关系。结果表明,在塑性指数较小时,微凸体的变形以弹性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为近似线性关系;随着塑性指数的增加,微凸体变形主要以塑性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为较强非线性关系。对已有的铣削加工和磨削加工情况下的结合面法向接触刚度试验结果,利用该模型进行数值计算、仿真和分析。结果表明:提出的模型更与试验曲线吻合。     

基于接触单元的磨床螺栓连接面有限元建模与模型修正

以接触单元和弹簧－－阻尼单元建立了磨床螺栓连接件的结合面动力学有限元模型。并以前3阶试验模态及有限元模型理论计算的固有频率均方差最小为目标函数,对包含接触单元和弹簧－－阻尼单元的结合面特征参数进行优化,在此基础上修正并取得更为符合实际的结合面动力学模型,这对机床结构的动态优化设计具有重要意义。     

机械结合面法向动态接触刚度理论模型与试验研究

机械结合面经常可能在动态条件下工作,使得结合面的接触状态偏离静态工作状态,导致接触刚度发生改变。为了揭示动态接触刚度的变化规律,考虑两个粗糙结合表面上单个微凸体由弹性变形向弹塑性变形以至最终向完全塑性变形转化的接触过程,建立一个振动周期内各变形阶段微凸体的平均接触刚度模型;在此基础上,基于高斯分布假设,建立整个粗糙结合表面的动态接触刚度解析模型。该模型揭示了接触面压、振动频率和相对位移振幅对动态接触刚度的影响规律,并与试验结果和静态接触刚度计算结果进行了比较。研究表明:法向动态接触刚度和静态接触刚度与接触面压之间的关系基本一致,但有一定偏离。这种偏离程度随动态位移幅值和振动频率的增加而分别呈线性和非线性增大。     

基于域扩展因子和微凸体相互作用的结合面接触刚度模型研究

结合面接触刚度直接影响了机械设备的整机动态特性,为了建立更为准确的接触刚度模型,以分形几何理论为基础,利用单一微凸体承受局部载荷时的弹性变形特性,并基于域扩展因子引入微接触截面积分布函数,推导了考虑表面微凸体相互作用影响的结合面接触刚度分形模型。为了验证所提出模型的准确性,通过三维非接触式测量,获得了试验试样的表面轮廓数据,并根据结构函数法,计算了各个试样的表面分形参数,进而将理论接触刚度与试验结果对比分析,结果表明：法向接触刚度的增长速率与粗糙面表面临界接触面积有关,临界接触面积决定了结合面内的弹性变形占比。考虑微凸体相互作用后,所提出模型的预测曲线更加符合试验中法向载荷与接触刚度的关系。     

机械结合面微观接触模型及接触特性研究

通过原子力显微镜(AFM)实测得到机械结合面的真实三维微观表面形貌,同时基于分形理论模拟仿真得到了机械结合面三维微观表面形貌,分析结果表明,分形模拟表面形貌能较好地模拟机械结合面的真实微观表面形貌。进一步分别以实测的结合面表面形貌和基于分形理论模拟的表面微观形貌建立结合面的三维表面微观接触模型,运用有限元法进行接触仿真分析,研究真实微观表面之间的微观弹性及弹塑性接触特性,通过仿真分析得到Z向位移、接触面积和接触压力与接触载荷间的关系曲线。结果表明,基于分形理论建立的机械结合面分形模拟微观接触模型可以替代实测真实微观接触模型进行仿真分析。本研究能为深入开展结合面微观作用机理的研究提供理论依据。     

润滑剂改善柴油机缸盖与螺栓结合面接触性能的研究

针对缸盖与螺栓重复安装存在的结合面损伤问题,选用乐泰8008 C5-A铜基高温抗咬合剂、道康宁G-N plus paste和R P-4652D润滑油三种润滑剂,按照相同的缸盖螺栓安装工艺进行了安装,比较分析了三种润滑剂对于结合面性能情况的影响。结果表明,道康宁G-N pluspaste具有最好的抗接触损伤性能,二氧化钼能发挥减磨作用;乐泰8008 C5-A铜基高温抗咬合剂的效果最差,运动黏度大、附着性差,不能很好地附着结合面,润滑剂起不到润滑作用;RP-4652D润滑油间于二者之间,在没有道康宁G-N pluspaste的情况下,也可作为一种选择。     

耦合基体变形与微凸体相互作用的结合面刚度模型

针对螺栓结合面,提出一种新的弹塑性接触刚度建模方法。该模型不仅延续了微凸体具有连续光滑接触特性的思想,还揭示了基体变形和微凸体相互作用的耦合关系,提出一种新的弹塑性接触刚度建模方法。首先,根据多尺度理论和数理统计方法,建立了具有连续光滑接触特性的结合面法向接触模型;然后,通过建立单个微凸体-基体系统模型和多微凸体接触模型,探究了基体变形和微凸体相互作用的作用机理和耦合关系,并对结合面接触模型进行修正;最后,对比仿真结果和已有实验数据,验证了修正模型的正确性,并分析了基体变形和微凸体相互作用的影响程度。仿真结果表明：基体变形不仅影响了微凸体的接触变形,还会进一步引起微凸体间相互作用的发生;微凸体相互作用使得微凸体高度分布发生偏移,导致结合面局部高度平面下移;相比于基体变形,微凸体相互作用对接触刚度的影响显著,但表面粗糙度的影响依旧占主导地位。     

基于接触分形理论的机械结合面法向接触刚度模型

为能够从理论上建立起具有尺度独立性的机械结合面法向接触刚度的理论模型,从而解决以往研究 荼存在的缺陷与不足,在一定的假设下,基于球体与平面的赫兹接触理论和接触分形理论,首次从理论上给出了具有尺度独立性的机械结合面法向接触刚度分形模型,并取得了与实验一致的数字仿真研究结果。     

螺栓结合面动态特性试验研究

以栓接结合面为研究对象,对不同预紧力情况下的螺栓联接结构进行试验模态分析,得到该结构的自由模态参数。并对螺栓联接结合面进行几种有限元建模模型分析,对比几种建模方法和试验结果的差距。     

考虑界面端应力奇异性的螺栓连接支承面接触压力计算模型

将螺栓连接支承面接触问题简化为集中载荷和力矩耦合作用的有限刚度平头压模接触问题,利用BOGY特征值方程,分析双材料界面端应力奇异性发生的几何条件;依据GLADWELL接触力学理论,构建集中载荷和力矩耦合作用下平头压模接触压力计算模型,利用此模型分析螺栓预紧力、装配间隙和被连接件材料对螺栓连接支承面接触压力分布的影响规律。结果表明：在规定预紧力范围、装配等级和常用被连接件材料下,螺栓连接支承面不会发生退让接触,而界面端部出现明显的应力奇异性,其中预紧力变化对界面端应力奇异性强度影响不明显,但装配间隙和被连接件材料的变化对界面端应力奇异性强度影响显著;当被连接件材料弹性模量大于螺栓材料时,支承面内侧应力奇异性强度大于外侧,反之内侧应力奇异性强度明显小于外侧。此外,以平头压模为算例,采用有限元法验证了构建模型的准确性。     

An analysis of three-dimensional elasto-plastic sinusoidal contact

Researchers have developed many models to simulate the elasto-plastic contact of spheres. However, there does not appear to exist a closed-form analytical model for elasto-plastic three-dimensional sinusoidal contact. This work uses a finite element model (FEM) to characterize elasto-plastic sinusoidal contact. Although at initial contact the sphere and sinusoidal case are very similar and can both be described by the classic elastic Hertz contact case, once the contact is pressed past a certain range of deformation the two cases are very different. The model produces equations which can be used to approximately relate the area of contact to the contact pressure for elasto-plastic sinusoidal contact. The equations are fit to the FEM results and existing elastic solutions of sinusoidal contact. An empirical expression for the average pressure which causes complete contact between elasto-plastic sinusoidal contacts is also provided.     

基于不同微观固体接触模型的轮轨表面变形特性分析

针对轮轨表面接触变形问题,采用不同的统计型微观固体接触模型,即Greenwood-Williamson （GW）模型,Chang-Etsion-Bogy （CEB）模型和Zhao-Maietta-Chang （ZMC）模型,研究轮轨接触表面变形特性。利用Newton-Raphson方法对微观固体接触模型公式进行求解,并同时求解间隙方程和载荷平衡方程。考虑不同粗糙度和不同塑性指数下各微观固体接触模型的压力分布情况,以及接触半径随载荷的变化情况。并将不同微观固体接触模型的结果和Hertz模型结果对比,结果表明弹塑性微观接触模型（CEB,ZMC）比弹性模型（GW）有着更小的接触压力以及更宽的接触半径,最大压力均小于最大Hertz接触压力,接触半径均大于Hertz接触半径。     

Basic principles of rough surface contact analysis using numerical methods

A detailed account of the principles involved in using numerical elastic contact techniques on digitized measurements from rough surfaces is presented in relation to two- and three-dimensional topography data. The main results of such analyses are shown to include the detailed interface geometry and the subsequent contact pressure distribution involved. Methods of defining the resulting sub-surface stresses created by this contact pressure distribution are also presented for static normal loading, and for the case of a normal load in the presence of a frictional surface shear. The problems posed in dealing with plastic asperity contacts are also discussed, together with an outline of how the numerical methods described have been modified further to allow analysis of rough layered bodies of dissimilar materials, thus offering a very useful design tool for surface coatings.     

Contact mechanics of rough surfaces in tribology: multiple asperity contact

Contact modeling of two rough surfaces under normal approach and with relative motion is carried out to predict real area of contact and surface and subsurface stresses affecting friction and wear of an interface. When two macroscopically flat bodies with microroughness come in contact, the contact occurs at multiple asperities of arbitrary shapes, and varying sizes and heights. Deformation at the asperity contacts can be either elastic and/or elastic-plastic. If a thin liquid film is present at the interface, attractive meniscus forces may affect friction and wear. Historically, statistical models have been used to predict contact parameters, and these generally require many assumptions about asperity geometry and height distributions. With the advent of computer technology, numerical contact models of 3-D rough surfaces have been developed, particularly in the past decade, which can simulate digitized rough surfaces with no assumptions concerning the roughness distribution. In this article, a comprehensive review of modeling of multiple-asperity contacts in dry and wet conditions is presented. Contact models for homogeneous and layered, elastic and elastic-plastic solids with and without tangential loading are presented. The models reviewed in this paper fall into two groups: (a) analytical solutions for surfaces with well-defined height distributions and asperity geometry and (b) numerical solutions for real surfaces with asperities of arbitrary shape and varying size and height distributions. Implications of these models in friction and wear studies are discussed. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

碳钢渗硫表面低副接触模型及其塑性指数

制备了渗硫试件，测量了渗硫层的显微硬度及弹性模量等力学性能参数。建立了渗硫面与非渗硫面的多球凸峰面接触模型，其凸峰高度为高斯函数分布。在此基础上计算了不同接触情况下的塑性指数ψ，其范围在4—15之间，所以渗硫面接触主要为塑性接触。     

考虑蠕变特性的橡胶微凸体与金属表面接触特性分析

金属-橡胶接触广泛存在于密封结构中,密封接触表面上微凸体间的相互作用会直接影响整个密封界面的接触特性,进而影响其密封性能。基于粗糙密封界面的单个微凸体,考虑橡胶的蠕变特性,采用理论分析和仿真研究相结合的方式研究橡胶微凸体与金属表面的接触特性。通过橡胶蠕变特性的实验结果,构建橡胶蠕变计算模型;构建半球微凸体与金属平板间的有限元模型,进行考虑蠕变特性的仿真,分析其接触特性,并与Hertz接触理论的计算值进行对比。结果表明：在蠕变阶段,接触半径、法向变形量和最大等效蠕变应变均随蠕变时间的增加而增大,最大接触压力随蠕变时间增大而减小,这均可能导致密封性能的下降;随压力载荷的增大,接触半径、法向变形量、最大接触压力和最大等效蠕变应变均增大,但增大的趋势逐渐减小;橡胶微凸体与金属表面间的等效模量随蠕变时间的增加而减小,随压力载荷增大而增大。     

依据各向异性分形几何理论的固定结合部法向接触力学模型

基于各向异性分形几何理论,考虑微凸体变形特点、表面微凸体承受法向载荷的连续性和光滑性原理,以及区分微凸体分别处于弹性、塑性变形时的一个微凸体实际微接触面积,建立固定结合部法向接触力学模型。采用二变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟各向异性三维分形轮廓表面。推导出划分弹塑性区域的临界弹性变形微接触截面积、结合部量纲一法向载荷、结合部量纲一法向接触刚度的数学表达式。数值仿真结果表明：当表面形貌的分形维数、分形粗糙度一定时,真实接触面积随着结合部法向载荷的增大而增大;结合部法向接触刚度随着真实接触面积、结合部法向载荷、相关因子或材料特性参数的增大而变大;当分形维数由1变大时,结合部法向接触刚度随着分形维数的变大而增大;当分形维数增加到趋近于2时,结合部法向接触刚度有时却会随着分形维数的增加而降低。结合部法向接触力学模型的构建,有助于分析固定接触表面间的真实接触情况。