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．     

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.     

表面形貌对流体动压润滑和摩擦的影响

为探求表面形貌参数与粗糙接触界面流体动压润滑和摩擦性能之间的关系,应用有限差分法求解雷诺方程,结合膜厚方程和剪切力(摩擦力)方程,获得了随机粗糙表面接触压力和摩擦力的三维分布状态.通过对三维粗糙随机接触表面进行计算机模拟仿真,理论模型和计算方法得到了验证.随机粗糙接触载荷和摩擦力均随ISO 25178表面形貌参数国际标准中表面高度均方根偏差、表面高度分布偏态和表面展开面积比的增加而非线性增加,随自相关最快衰减率的增加而显著减小,揭示了表面形貌中"峰"和"谷"的特征对接触界面承载能力和摩擦力的影响.研究结果为进一步表面形貌的功能性表征研究提供了理论基础.     

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.     

弹塑性微峰接触的部分膜点EHL数值分析

在部分膜EHL润滑下,磨擦副表面微峰接触状况对零件表面应力及失效形式有直接的影响,为此,在部分膜点接触EHL模型中引入更符合实际的表面微峰弹塑性接触模型来考察微峰接触载荷;并应用多重网格法针对多种表面微峰结构参数的影响进行了完全数值分析。结果表明,粗糙度对油膜的影响和表面纹理方向有关;相同粗糙度情况下,纵向纹理表面的接触载荷＞各向同性纹理表面的接触载荷＞横向纹理表面的接触载荷,表面粗糙度大时,峰顶参数对油膜压力和微峰接触压力有一定的影响,而对油膜形状影响甚微;表面越粗糙、表面凸峰越尖锐,微峰接触载荷则越大。     

冷轧界面油膜厚度对表面形貌转印过程的影响

为研究冷连轧过程中接触界面润滑油膜厚度对表面形貌转印过程的影响,在跟踪实际生产中带钢表面形貌的基础上,结合轧辊表面磨损形貌以及润滑分析确定的界面油膜分布,建立真实表面接触的带钢形貌生成模型,用跟踪测量轧辊服役期内生产带钢表面的粗糙度对模型进行验证.利用模型分析在不同磨损状态下电火花毛化轧辊油膜厚度对转印形成带钢表面形貌的影响规律.结果表明:轧辊表面处于不同磨损状态时,带钢表面Ra的转印率随着油膜厚度的增加而减小;轧辊表面磨损后转印形成的带钢表面P_c的转印率在油膜厚度增加的初期基本保持不变,而后急剧减小.     

基于热弹流的滤波减速器转臂轴承润滑性能分析

由于载荷、接触几何、粗糙表面、热效应等因素的影响,分析不同工作条件下滤波减速器转臂轴承工作界面润滑状态较为困难,为了研究转臂轴承润滑性能,本文建立了转臂轴承的热弹流混合润滑模型。以静力学和运动学建立滤波减速器转臂轴承(球滚动体-滚动轴承）力学模型,结合点接触热弹流混合润滑理论建立轴承热弹流润滑模型,使用离散卷积快速傅里叶变换方法求解弹性变形和表面温升,使用有限差分法求解雷诺方程和能量方程,分析轴承接触副物理尺寸、载荷、卷吸速度和接触副粗糙表面等外部工况对轴承润滑特性以及表面下应力的影响。从数值模拟结果中可以看出：较大滚动体半径有益于轴承润滑油膜形成,提高轴承的承载能力;不同的机械加工表面下接触副平均膜厚和温度随转速和滑滚比变化趋势相同;轴承接触副润滑状态从混合润滑进入全膜润滑状态,油膜内最大温升先减小后增大;提高机械加工表面光洁度有利于提高转臂轴承润滑状态,减小最大表面下应力,提高表面接触强度。本文建立的转臂轴承热弹流混合润滑模型可以模拟接触和流体动压润滑同时存在的混合润滑状态,可以反映转臂轴承在各种工作条件下润滑性能,可以进一步判断其工作效率和使用寿命。     

基于多尺度理论的栓接结合部动力学建模

建立准确的栓接结合部接触刚度模型对预测数控机床的动态特性至关重要。本文提出了一种基于多尺度理论的栓接结合部刚度模型,首先使用一系列叠加的三维正弦波来描述粗糙接触表面多尺度特性,每个正弦波被认为是一层频率级,推导出接触面积比与频率级的函数关系,则整体刚度可以看作不同频率级串联的弹簧模型。然后,通过数值仿真分析了结合面法向接触载荷、材料特性参数以及多尺度参数对接触刚度模型的影响。最后,设计分段梁结构进行试验验证本文模型的准确性,通过力锤敲击试验获得栓接结合部在等同预紧力下的固有频率和振型,并与仿真结果对比,结果表明本文多尺度模型固有频率与试验频率之间的相对误差小于9.94%,表明多尺度模型可以有效地预测数控机床的动态特性。     

混合润滑时各向异性粗糙表面微凸体载荷分配的研究

本文对现有的有关载荷分配的研究结果进行了分析。在用可分自相关函数和高斯高度分布函数对所研究的粗糙表面进行模拟后,采用简化方法考虑各向异性程度对表面接触性能的影响,并用Patir和Cheng的平均流量法计算流体膜的承载能力。通过对滑动轴承在不同分离程度时的总承载能力和微凸体载荷分配的分析,讨论了各向异性程度对微凸体载荷分配的影响,从而分析了它对失效的影响。分析结果表明,横向微凸体具有较大的流体动力承载能力的结论,只有在最小间隙较大时才能成立,但纵向微凸体总是使得流体膜承载能力下降;在相同的最小间隙情况下,不同表面形貌的摩擦副的微凸体载荷分配是各不相同的,这说明不同表面形貌的摩擦副在失效时所达到的最小间隙值是不同的;横向微凸体表面具有较好的抗失效能力。     

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。     

Ratcheting led surface failure of medium carbon bainitic steel under mild operation conditions

The behavior of rolling contact fatigue (RCF) of medium carbon bainitic back-up roll steel was investigated under its actual work conditions. A kind of asperity-scale surface originated cracks, which is lying parallel or at an acute angle to the surfaces, initiated after unidirectional plastic flow of the material in thin surface layer had occurred. Theoretical analysis indicates that they nucleate due to plastic ratcheting induced by asperity contact stresses, and consequently are named as ratcheting cracks. After nucleating and initially propagating, they arrest at some depth and resume propagating till about 70%-80% of the RCF failure life by initially turning parallel to contact surfaces. Their behavior of initiation and propagation is confined to a thin layer prior to the formation of surface distress. According to the critical principle of the preventive grinding strategy, removing the asperity influenced surface layer at about 70%-80% of the RCF failure life can effectively prevent the ratcheting cracks from developing into surface distress, which can lead to the formation of macro-RCF failure soon.     

Modeling of Mechanical Behavior of Fractal Rock Joint

The present study shows that naturally developed fracture surfaces in rocks display the properties of self-affine fractals. Surface roughness can be quantitatively characterized by fractal dimension D and the intercept A on the log-log plot of variance: the former describes the irregularity and the later is statistically analogues to the slopes of asperities. In order to confirm the effects of these fractalparameters on the properties and mechanical behavior of rock joints, which have been observed in experiments under both normal andshear loadings, a theoretic model of rock joint is proposed on the basis of contact mechanics. The shape of asperity at contact is assumed to have a sinusoidal form in its representative scale r, with fractal dimension D and the intercept A. The model considers different local contact mechanisms, such as elastic deformation, frictional sliding and tensile fracture of the asperity. The empirical evolution law of surface damage developed in experiment is implemented into the model to up-date geometry of asperity in loading history. The effects of surface roughness characterized by D, A and re on normal and shear deformation of rock joint have been elaborated.     

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.     

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.     

考虑表面膜及热效应时粗糙表面的塑性指数和接触性能

本文考虑界面摩擦力对粗糙表面接触性能的影响以及摩擦副表面间存在相对滑动时界面的局部高温对表面膜的影响,推导了考虑摩擦力后粗糙表面塑性指数的表达式,并对粗糙表面的接触性能进行了研究,研究结果表明:摩擦力的存在将影响粗糙表面的塑性变形特征。这种影响将随椭圆比的增加而增加,在研究摩擦表面变形特征时必须考虑这一影响。本文提供的修正塑性指数表达式为进行滑动接触时的接触性能分析提供了有力的工具。     

关节轴承中微凸体的热分析

为研究关节轴承内外圈摩擦副上微凸体在相对滑动过程中的摩擦热问题,建立半球状微凸体相对光滑平面滑动的模型,对点热源导致的温升进行积分,计算关节轴承内外圈在微凸体接触面处的稳态温升分布. 分别计算微凸体在弹性接触与塑性接触状态下接触面的稳态温升分布,并研究了在不同角速度和载荷下接触面沿速度方向的温升变化. 给定在一定范围内变化的载荷及速度,分别计算绘制出了两种不同型号关节轴承中的微凸体在接触区的最大闪温图. 计算结果表明:内圈微凸体在接触区的温升是对称分布的,最大温升位于接触面的中心点,外圈接触区后沿的温升大于前沿的温升,最大温升出现在中心点偏后沿的位置. 轴承角速度或微凸体载荷越大,接触区的温升越大. 在低速重载工况下,微凸体的最大闪温值较小;而在高速情况下,微凸体的最大闪温值较大. 关节轴承在工作时应注意载荷和角速度的控制,防止因微凸体摩擦生热过多从而造成轴承使用性能受损.     

Associated rules between microstructure characterization parameters and contact characteristic parameters of two cylinders

The contact strength calculation of two curved rough surfaces is a forefront issue of Hertz contact theory and method. Associated rules between rough surface characterization parameters(correlation length, and root mean square deviation) and contact characteristic parameters(contact area, maximum contact pressure, contact number, and contact width) of two rough cylinders are mainly studied. The contact model of rough cylinders is deduced based on GW model. As there is no analytical solution for the pressure distribution equation, an approximate iterative solution method for the pressure distribution is adopted. Furthermore, the quantitative relationships among the correlation length, the root mean square deviation, the asperity radius of curvature and the asperity density are also obtained based on a numerical simulation method. The maximum contact pressure and the contact number decrease with the increase of correlation length, while the contact width and the contact area are on the contrary. The contact width increases with the increase of root mean square deviation while the maximum contact pressure, the contact area and the contact number decrease.