粗糙表面接触问题的数值计算研究

基于Ausloos和Berman提出的推广的W-M函数对具有不同粗糙度参数的分形表面进行仿真模拟.同时,基于前人的理论研究,在模拟的分形粗糙表面基础上建立了微尺度粘着弹塑性接触模型.通过数值模拟,得到了给定条件下各个微凸体上的载荷、真实接触面积、接触斑点尺寸和平均接触压力的分布情况.建立的模型考虑各个微凸体具有不同的峰顶曲率半径,当变形足够大时考虑微凸体间的相互作用,因而较前人建立的模型更符合工程实际,同时也对与分形特征相关的摩擦学模型的进一步研究具有一定的指导作用.     

粗糙表面接触的弹性、弹塑性、塑性分形模型

在M－B模型的基础上考虑了材料的弹塑性变形过程和接触界面磨擦的作用建立了粗糙表面接触的弹性、弹塑性、塑性分形模型。分析表明,M－B模型适用于理想的弹性－塑性材料;磨擦副接触界面间的磨擦力对接触状态有较大的影响。磨擦力的作用使临界弹性接触面积增大,从而增大了弹塑性和塑性菜的可能性以及实际接触面积中弹塑性和塑性接触面积的比例;材料的应变硬化程度对接触状态有一定的影响,硬化程度越高,接触状态越趋于弹性接触,硬化指数越大,硬化程度越弱,实际接触面积中弹塑性和塑性接触面积的比例越大。     

微凸体切向滑移特性

为了从微观角度探究粗糙表面的切向滑移特性,构建一种具有回转抛物体形状的微凸体切向滑移有限元模型.该模型综合考虑了材料的弹性、弹塑性变形和塑性变形特征,分析整个切向滑移过程中切向、法向合力分别随切向、法向位移等参数的变化规律,并给出接触载荷的无量纲化拟合公式;推导了基于Kogut弹塑性(KE)模型的侧接触力学模型,并用该理论解释切向滑移特性.分析表明：KE模型侧接触模型仅仅适用于小变形范围;切向滑移位移越大,切向的塑性流动越大,KE模型侧接触模型与仿真模型的误差也越大;另外,载荷的最大值、最小值和均值都表现出了明显的变化规律.微凸体切向滑移特性的仿真分析以及侧接触理论研究为粗糙表面接触特性的研究奠定了基础.     

粗糙表面切向接触刚度概率分析方法

针对粗糙表面微凸体的多样性引起的接触切向刚度的变化,提出粗糙表面切向接触刚度概率分析方法.基于Hertz理论和GW模型,考虑微凸体接触半径与高度均服从正态分布,得到各自的概率密度函数.运用接触力学和统计学原理,计算粗糙表面微凸体的个数,建立粗糙表面切向接触刚度的概率统计模型.采用控制变量法,研究外界载荷、摩擦系数和统计参数对切向接触刚度的影响,与同种工况下分形模型的计算结果与实验结果进行对比.研究结果表明粗糙表面切向接触刚度与法向载荷和摩擦系数成正相关,与切向载荷成负相关;微凸体之间高度或接触半径的正态分布标准差越小,切向接触刚度越大.这与同条件下分形模型及实验得到的结果趋势相一致.     

滑动摩擦力分形预测模型

从一对微凸体的接触力学和运动学分析出发,建立了非流体动力润滑条件下粗糙表面滑动摩擦阻力与粗糙表面接触状态间的关系,基于分形几何理论,推导出滑动摩擦力分形预测模型,并从理论上对该模型的正确性进行了分析。     

各向异性粗糙表面的接触性能研究

本文通过对Onions-Archard的理论接触模型进行扩展,研究了由指数衰减可分自相关函数和高斯高度分布函数模拟的各向异性粗糙弹性表面和光滑表面接触时的接触性能,将粗糙表面润滑效应研究中常用的表面模拟方法和粗糙表面接触性能研究的理论模型联系了起来。在单个微凸体接触参数计算中,引进了适当的近似公式,简化了不同椭圆比时的接触参数计算,计算结果表明,当椭圆比1/γ>1时,各向异性粗糙表面的接触载荷,接触面积和平均接触压力均小于各向同性粗糙表面的值。     

干气密封摩擦副启停阶段摩擦特性的仿真研究

针对干气密封非稳态下摩擦特性对密封性能的影响进行研究,考虑动、静环材料属性,微凸体之间的相互作用以及摩擦热流耦合,建立了三维粗糙实体与理想光滑刚体滑动摩擦热力耦合模型。运用ANSYS软件数值模拟了摩擦热以及应力变化规律。研究发现,粗糙表面最高接触温度随滑动时间增加呈逐步上升趋势,并且温升呈 现了一定的波动性;粗糙表面的VonMises等效应力分布极其不均匀呈非线性变化;同时,还发现最大x 方向应力分量σxx 并未出现在最高接触微凸体上;在沿三维粗糙实体厚度方向存在一拉应力区,随着滑动时间的持续,拉应力区有一定程度扩大。从而说明两端面间的温升和波动性以热传导为主要影响因素,应力的变化是由于微凸体发生了弹塑性变形。研究成果为今后干气密封启停阶段特性研究以及参数优化奠定了基础。     

粗糙表面弹塑性微接触模型分析与改进

为了准确描述粗糙表面微接触特性,对比分析现有插值多项式类和幂指函数类微接触模型存在的不足,采用量纲归一化方法,提出一种考虑材料属性的弹塑性微接触改进模型. 与现有模型相比,改进后的微接触模型在屈服临界点和全塑性临界点处具有良好的连续性和光滑性,且考虑了材料泊松比对最大接触压力因子的影响. 结果表明：较经典的KE模型和Lin模型,提出的模型能够连续、光滑和单调地描述微接触特性;微凸体接触面积与材料泊松比无关,且不受最大接触压力因子取值的影响;微凸体的平均接触压力、接触载荷和接触刚度与材料泊松比相关,且与最大接触压力因子成正比.     

抗浮锚杆锚固界面渐进性破坏失效细观力学模型

为了从微观上获得抗浮锚杆锚固界面渐进性破坏失效机理,提高抗浮锚杆的承载能力,基于微凸体侧接触理论,分析了锚固界面的细观力学机理,揭示了微凸体在弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,其法向分力、切向分力分别与变形之间的变化规律,从细观层面上建立了抗浮锚杆的抗拔承载力力学模型。结果表明：在弹性、弹塑性阶段,无量纲法向分力和切向分力随Z方向上的无量纲变形量呈非线性变化,而在塑性阶段近似呈线性变化;在相同的无量纲变形量下,无量纲法向分力和切向分力与接触角度有关系。利用微凸体接触力学,进行仿真模拟分析,为研究抗浮锚杆锚固界面渐进性破坏失效提供了一种思路。     

M-B弹塑性接触模型的修正

根据Wang的观点,将M-B弹塑性接触模型中的完全弹性、完全塑性两种变形形式,转变为完全弹性、弹塑性和完全塑性三种变形形式,得到了M-B模型的修正模型.仿真结果表明,对于载荷与接触面积关系的分析和预测,低载荷下采用原M-B模型、中等载荷下采用本文作者修正模型、而高载荷下采用G-W模型较为合适.     

M—B弹塑性接触模型的修正

根据Wang的观点，将M-B弹塑性接触模型中的完全弹性、完全塑性两种变形形式，转变为完全弹性、弹塑性和完全塑性三种变形形式，得到了M-B模型的修正模型，仿真结果表明，对于载菏与接触面积关系的分析和预测，低载菏下采用原M-B模型、中等载菏下采用本文作者修正模型，而高载菏下采用G-W模型较为合适。     

基于接触热阻的高速精密电主轴热特性分析

主轴系统热问题是高精度机床必须要考虑的关键问题,接触热阻的大小影响机床的传热性能,从而影响其加工精度. 利用表面接触的分形理论,计算接触面的量纲一的接触面积,针对接触微凸体的热阻由基体热阻和收缩热阻形成接触对,建立了一个考虑接触界面基体热阻和收缩热阻的表面接触热阻模型,讨论了不同的分形参数对接触热阻的影响. 以立式加工中心电主轴系统为研究对象,分析了电机的损耗发热和轴承的摩擦发热,运用有限元软件对电主轴模型在有无接触热阻2种情况下的稳态温度场和稳态热变形进行仿真分析. 讨论了有无热阻情况下电主轴温度和变形变化量,论证了接触热阻对电主轴热温度场和热变形的影响. 结果表明:电主轴考虑接触电阻时温度将升高,变形将增加.     

微机械弹性纳米接触问题的建模与计算

针对Bradley方程和刚性纳米接触模型在处理微机械纳米接触问题中的不足,基于Lennard-Jones势能定律将组成两接触球体的原子之间的粘着力等效为两球体表面所受的分布作用力,并根据经典弹性理论建立了一种新型的两球体弹性纳米接触模型.该模型可以同时得到两球面轮廓随间距的变形过程及两球体间的粘着力和表面变形量随间距的变化规律,并且与现有的由原子力显微镜扫描实验所得到的结论相一致.     

GIS设备用表带触指电连接结构接触电阻的分形理论计算与分析

电连接结构的接触电阻（ECR，Electrical Contact Resistance）是评价电接触系统可靠性的重要指标。表带触指是环保气体GIS设备中重要的电连接部件，其ECR不仅影响回路总电阻，通流过大导体振动、安装不当等因素还会导致电接触不良，引发触指局部过热，引起绝缘放电等故障，直接关系到环保气体GIS设备的运行稳定性。为研究触指ECR产生机理和变化规律，本文采用MATLAB和激光共聚焦显微镜捕捉接触区域灰度图像，获得了触指接触区域的名义接触面积Aa和分形维数D，运用分形理论模型，数值计算了表带触指电连接结构的ECR，并通过ECR试验测量，验证了应用分形理论模型解析计算表带触指电连接结构ECR的合理性和准确性，研究了表带触指电接触过程中的弹性变形、第一弹塑性变形、第二弹塑性变形和塑性形变形四个阶段，对比分析了不同分形维数对触指电接触实际接触面积的影响规律。研究发现分形理论模型可用于GIS设备用表带触指的接触电阻理论计算，且得到触指电接触表面分形维数越大，触点变形越先进入弹塑性阶段，也越易进入第二弹塑性变形阶段，触指表面形貌越复杂，达到相同承载能力所需实际接触面积越小。研究成果有助于环保气体GIS电连接结构的优化设计，可为环保气体GIS设备触指电连接结构的多物理场计算和电接触性能的状态评估提供理论基础。     

分形理论模型的摆线针轮的接触刚度研究

为了准确计算摆线针轮分形面的接触刚度,提出了一种考虑摩擦系数的分形模型。采用修正后的Weierstrass-Mandelbrot函数和微分几何建立了一种二阶抛物线法修形的摆线轮齿与针齿的二维粗糙表面的几何模型,该模型体现了在宏观和微观视野中以独特地形式表达摆线轮齿完全共轭齿廓与针齿的形貌特征;在啮合载荷作用下摆线针轮处于弹性变形阶段,引入了摩擦因子,计算微观层面中的两个粗糙接触面的接触刚度。计算实例结果表明: 摆线针轮分形面的接触刚度Kn随着轮廓上的啮合力F的增大而先保持平稳,再快速增长,最后向下倾斜状态。其中,表面粗糙度Ra增加和摩擦因子u增大,导致接触刚度Kn减小;修形系数a1的增加会放缓接触刚度Kn的增加。以LTCA模型建立的赫兹接触刚度相比,验证了摆线针轮分形模型的正确性,体现了接触刚度Kn求解时,从静态转化为动态过程,单一性转化为连续性的优势。     

在金属塑性成形中表面微凸对接触力及摩擦系数的影响

应用大型有限元软件ADINA,采用库仑摩擦模型和非局部摩擦模型,对不考虑表面微凸的模型和单个微凸体模型在塑性成形中的摩擦力、摩擦系数等进行研究。研究结果表明:不考虑表面微凸的情况,局部库仑摩擦模型与非局部摩擦模型的结果差别不大。考虑表面微凸时,摩擦系数随着变形量的     

基于真实粗糙表面斜齿轮瞬态混合弹流润滑研究

将渐开线斜齿轮啮合过程中的轮齿接触等效为一个三维无限长线接触问题,建立了用于求解斜齿轮三维瞬态弹流混合润滑计算的数学模型。考虑斜齿轮啮合实际工况,分析啮合过程中齿面时变半径,时变表面切向速度的变化等,引入真实的三维机械加工粗糙表面, 联合统一的Reynolds方程方法分析了单个轮齿在整个啮合过程中三维瞬态弹流润滑完全数值解,讨论了光滑表面和真实机械加工粗糙表面对轮齿啮合过程的膜厚和压力分布的影响,揭示了2种机械加工表面的微观弹流润滑特性。结果表明：粗糙表面对齿轮润滑状况影响显著,尤其在轮齿啮出过程中,严重的降低了齿轮间的润滑油膜厚度,使轮齿润滑状况变得恶劣;粗糙表面加工精度高（粗糙度低）,其接触表面的膜厚比高,接触区域和接触负载小,故而润滑状况好。     

弹塑性碰撞的数值计算模型

本文建立了弹塑性碰撞的数值计算模型。在模型中将碰撞划分为三个阶段:碰撞在投射体自身及受击结构物局部产生塑性变形;随后结构局部塑性变形继续增大及结构整体开始弹性变形;最后结构物自由弹性振动。逐个阶段详细讨论了撞击力、弹性和塑性变形大小、变形速度的计算。我们已将这个模型与容器的有限元模型、气体的有限元模型相结合,具体应用于受冲击容器中气压瞬变分析这类实际问题,获得了满意的结果。     

全滑移下球形粗糙表面的弹塑性接触模型

为研究硬盘磁头和盘面的碰撞接触问题,提出了一种全滑移接触条件下,球形粗糙表面与理想刚性平面的弹塑性接触模型．通过数学建模与MATLAB仿真,分析了球形粗糙表面弹塑性接触状态下接触载荷、实际接触面积和法向接触分离、塑性指数之间的函数关系,并在不同塑性指数条件下,与理想光滑表面模型、CEB (Chang-Etsion-Bogy) 模型及全粘着条件下的CKE (Cohen-Kligerman-Etsion) 模型进行对比．结果表明:本模型在计算接触面积与接触载荷上比CEB模型及CKE模型更加准确．     

粗糙金属表面接触的压力场和温度场

在研究金属表面的摩擦、磨损、边界膜成膜、疲劳及胶合等机理时,有必要搞清粗糙金属表面接触的压力场,温度场及应力场。过去人们在计算表面接触性能(压力场、温度场及应力场)时,往往忽略微凸体之间的相互影响,这在边界摩擦与干摩擦状况下与实际有较大差异。本文用一种新方法在考虑了微凸体之间互相影响的基础上,计算了弹性粗糙平面滑块与刚性光滑平面接触的压力场和温度场。这为进一步计算等温应力与热应力场打下了基础,也为研究边界膜成膜,磨损及表面胶合机理提供了一定的理论依据。