基于各向异性分形几何理论的摩擦非线性数学模型

基于各向异性分形几何理论,推导接触面法向总载荷、最大静摩擦力、静摩擦系数的严格解析解。根据中间自变量接触率,建立接触面静摩擦非线性的数学模型。数值模拟的计算结果表明：静摩擦系数随着法向总载荷或材料性能参数的增加而微向上凸弧式增加,但随着分形粗糙度的减小而微向上凸弧式增大;当分形维数较小时,静摩擦系数随着分形维数的增大而增大;但当分形维数较大时,静摩擦系数随着分形维数的增大而变小;在绝对刻度坐标系统下,法向总载荷和最大静摩擦力近似表现出线性正比例的关系。     

结合面静摩擦系数的统计模型

基于粗糙表面形貌的统计参数,综合考虑微凸体的完全弹性、弹-塑性和完全塑性三种变形机制,建立了结合面静摩擦系数的统计模型。该模型反映了静摩擦系数是由接触材料性能参数、表面形貌统计参数以及法向载荷共同决定的。通过仿真研究了微凸体高度的随机分布、塑性指数以及法向载荷等因素对静摩擦系数的影响规律。结果表明,修正的指数分布相比简单的指数分布对高斯分布有着较好的近似,且预测值近似等于高斯分布预测结果的均值;静摩擦系数随着塑性指数的增大而减小且变化趋缓;法向载荷增大时,静摩擦系数呈现减小的趋势,但在双对数坐标系下最大静摩擦力仍与法向载荷呈线性正比的关系。     

微动结合部的一次加载过程

根据赫兹弹性理论和分形几何理论,按照表面微凸体变形特点、表面微凸体承担法向接触载荷的光滑性与连续性条件,以及严格区分弹性变形与完全塑性变形,构建微动结合部的一种法向接触修正加载分形模型。给出Weierstrass-Mandelbrot分形函数不可微的条件。采取带随机相位Ausloos-Berman分形函数仿真各向异性非稳态三维随机表面形貌。提出表面微凸体法向弹性接触载荷与表面微凸体法向变形量之间的加载幂律关系形式,建立微动结合部两个微凸体之间互相影响的法向接触刚度的求导函数而非偏导函数计算方法。数字模拟结果显示:对于恒定的载荷,随着表面轮廓分形维数的增大,实际接触面积先增大后减小;实际接触面积随着法向接触载荷的增加而增加,但随着分形粗糙度的增加而减小;微动结合部法向接触刚度随着实际接触面积、法向接触载荷、相关因子和材料性能参数的增加而增加,但随着分形粗糙度的增加而减小;当表面轮廓分形维数较小时,微动结合部法向接触刚度随着表面轮廓分形维数从1变大而增加;当表面轮廓分形维数较大时,微动结合部法向接触刚度有时随着表面轮廓分形维数的增加逼近到2而减小。微动结合部法向接触修正加载分形模型的建立,可进一步分析微动两接触表面之间的卸载模型。     

基于圆锥微凸体的结合面法向刚度分形模型研究

将粗糙表面上的微凸体等效为圆锥体,结合分形理论和改进的W-M函数,建立了结合面法向接触刚度分形模型。对模型进行仿真计算,结果表明:结合面无量纲法向接触载荷随着无量纲接触面积、材料塑性指数和无量纲分形粗糙度参数的增大而增大;随着粗糙面分形维数的增大先减小后增大,且在分形维数等于1.5附近时达到最小值;结合面无量纲法向接触刚度随着无量纲法向接触载荷和材料塑性指数的增大而增大;随着无量纲分形粗糙度参数的增大而减小;随着粗糙面分形维数的增大先增大后减小,且在分形维数等于1.6附近时达到最大值。通过与试验数据对比,验证了该模型的正确性,可用于相关的理论分析与计算。     

干气密封动静环摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型

基于分形理论,根据重新建立的微凸体接触模型,并考虑微凸体弹性变形以及热应力变形,建立了干气密封两摩擦界面热弹性法向接触刚度计算模型,并对其影响因素进行了数值分析。研究结果表明:热法向接触刚度、弹性法向接触刚度均随无量纲真实接触面积、分形维数增大而增大,而随特征尺寸增大而减小,其中分形维数、特征尺寸对弹性法向接触刚度影响较为显著;摩擦因数对热法向接触刚度和弹性法向接触刚度的影响相反,摩擦因数增大,热法向接触刚度变大,而弹性法向接触刚度变小;热法向接触刚度随着转速以线性方式增大。摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型的建立与分析,将为研究考虑热效应的干气密封摩擦振动奠定一定基础。     

临界接触参数连续的粗糙表面法向接触刚度弹塑性分形模型

基于MB接触分形理论及其修正模型,在弹性和塑性接触变形机制基础上,考虑弹塑性过渡变形机制,建立了临界接触参数连续条件下的计及微接触面积分布域扩展因子影响的粗糙表面法向接触刚度弹塑性分形模型;数值仿真结果表明:弹塑性过渡变形机制对法向接触刚度影响明显,且考虑弹塑性过渡变形机制下的法向接触刚度大于仅考虑弹性和塑性接触机制下的对应法向接触刚度;无量纲法向接触刚度随着无量纲法向接触载荷的增大而增大且因分形维数取值不同而呈凸弧性的非线性关系(分形维数D=1.1~1.4)或近似线性关系(分形维数D=1.4~1.9),随着分形维数的增大而增大(分形维数D=1.1~1.5)及分形维数的增大而减小(分形维数D=1.5~1.9),随着分形粗糙度的增大而减小,随着塑性指数的增大而增大。     

一种纸基摩擦材料的摩擦特性

制备了一种纸基摩擦材料。通过改装QM1000-Ⅱ型摩擦材料性能试验机的盘车装置, 增添静摩擦力矩曲线数据采集和处理程序, 研究了载荷与纸基摩擦材料摩擦力矩特征的关系和对静、动摩擦系数的影响, 得到了静摩擦力矩曲线图。试验结果表明: 测量静摩擦力矩的持续时间与载荷无关, 静、动摩擦力矩随着加载载荷增加而增大, 静摩擦系数随载荷增加而增大, 动摩擦系数随载荷增加而减小, 自动盘车测得的静摩擦系数准确性和可信度高, 试验结果对设计摩擦材料的使用参数和优化摩擦材料的配方工艺有指导意义。      

粗糙度和预紧力对拉杆转子轮盘接触面静摩擦系数的试验研究

为探究拉杆转子轮盘接触面间静摩擦系数的变化规律,根据分形接触理论对拉杆转子轮盘结合面的实际接触状态进行理论分析。针对不同粗糙度等级和不同拉杆预紧力影响下的拉杆转子轮盘接触面静摩擦系数进行数值仿真计算和试验研究工作。试验研究发现,静摩擦系数随法向载荷的增大而减小。试验测量轮盘端面的粗糙度,发现粗糙度较小或较大时,静摩擦系数的大小与粗糙度成反比;当粗糙度位于某一范围时,静摩擦系数的大小与粗糙度成正比。但分形接触理论认为,结合面间的静摩擦系数随法向载荷的增大而增大。所以分形接触理论不适用于粗糙度较大、法向力较小的场合,接触面静摩擦系数的机理有待进一步研究,分形接触理论有待完善。     

法向载荷对紫铜的微米划痕测试的影响

使用Rockwell C金刚石圆锥压头对紫铜进行微米划痕实验,研究了法向载荷对样品的微米划痕测试的影响。结果表明:随着法向载荷的增大,压入深度和残余深度均线性增加,弹性恢复率线性减小;划痕宽度随压入深度的增加先非线性地增大,之后趋于线性增加。当法向载荷在0.08~0.11N的范围内时,摩擦力线性增大,摩擦系数趋于一个常数,摩擦机制为粘着摩擦;当法向载荷在0.11~17N的范围内时,摩擦力和摩擦系数非线性地增大,摩擦机制为犁沟摩擦;当法向载荷在17~28N的范围内时,摩擦系数趋于一个常数,摩擦力线性增大,摩擦机制为微切削。     

切向加载、卸载和振荡强耦合下机床螺栓结合部之摩擦能量耗散机制

在保持微凸体受法向力恒定的状态下,侧重导出切向力和变形量的切向加载、切向卸载和切向振荡接触方程。当2个球形微凸体接触时,构建每循环中切向接触摩擦能量耗散力学模型。按照赫兹静力弹性法向接触理论,得到微凸体顶端曲率半径。根据微凸体分担法向力的光滑性与连续性法则,校正临界弹性变形微接触面积与临界变形量的数学表达式。面向有条件等式,在弹性和纯塑性变形基础上,建立整个结合部法向力与切向接触摩擦能量耗散的理论模型。以北京机电院高技术股份有限公司直线电机驱动Linear MC6000普莱诺五面体加工中心上的龙门横梁-导轨螺栓结合部为研究对象,分析法向预紧力、表面粗糙轮廓分形维数、切向力、分形粗糙度、相关因子、单轴向屈服应变及静摩擦因数等7个相对独立参数对切向接触摩擦能量耗散的影响规律。可视化的数值分析结果表明:切向接触摩擦能量耗散随着法向预紧力的增大先增大后减小;表面粗糙轮廓分形维数在较小范围内,切向接触摩擦能量耗散随着表面粗糙轮廓分形维数或分形粗糙度的增大而增大;表面粗糙轮廓分形维数在较大范围内,切向接触摩擦能量耗散随着表面粗糙轮廓分形维数或分形粗糙度的增加而减小;切向接触摩擦能量耗散随着切向力、相关因子、单轴向屈服应变的增加而加大;切向接触摩擦能量耗散随着静摩擦因数的增加而降低与经典结论完全相反,这是因为当静摩擦因数较大时,根据近代分形几何理论可知法向预紧力越大,微滑趋势将更小,导致较小切向接触摩擦能量耗散。     

微分和表观静摩擦系数的表式

当前,工程师和科学家都对微牛和纳牛量级载荷静摩擦系数（以下简称微牛纳牛静摩擦系数）很感兴趣。但文献中至今没有详细讨论过微牛纳牛静摩擦系数与载荷的关系,而且发表的实验结果都不相互讨论。从微分静摩擦系数的定义出发,导出几种典型模型下微分静摩擦系数和表观静摩擦系数的表式,并据此广泛讨论这些文献中的实验结果。     

橡胶-地面石材摩擦性能的研究

基于橡胶摩擦学原理,采用水平拖拉方法在自制的简易摩擦测试装置上进行了橡胶-地面石材的摩擦性能实验,研究了法向荷栽、名义接触面积、静止接触时间对其摩擦性能的影响.结果表明,随着法向荷栽的增大,橡胶一地面石材的静摩擦因数有所减小,但减小的幅度逐渐减小;在同等低法向荷栽条件下,随着名义接触面积的增大或静止接触时间的延长,静摩擦因数均增大,表现出良好的线性相关性;但在同等中高法向荷栽条件下,静摩擦因数与名义接触面积不再符合简单的线性增长关系.     

液晶聚芳酰胺自组装膜的摩擦学性能

研究了液晶聚芳酰胺在表面羟基化载玻片上的自组装行为及液晶聚合物薄膜的摩擦磨损性能。结果表明．自组装液晶聚芳酰胺薄膜修饰的基底在低载荷下与Si3N4陶瓷球对磨时的摩擦系数非常低和稳定，耐磨寿命较其它聚酰胺类固体润滑膜更长。因此，自组装液晶聚芳酰胺超薄膜可以作为低载荷下硅基材料的减摩抗磨防护层。     

A fractal model for the static coefficient of friction at the fiber-matrix interface

The physical, geometrical, and mechanical properties at the fiber/matrix interface of a fiber-reinforced composite material have a dominant effect on the overall mechanical behavior of these materials. Specifically, the toughening of these materials is largely attributed to the energy dissipation due to the frictional sliding of fibers at their interface with the matrix material. The micromechanisms involved with interfacial failure and sliding are currently not entirely understood, and the failure threshold is generally predicted using macro-scale friction laws which neglect the micromechanical aspects. The objective of this study is to explore the derivation of a macro-scale static coefficient of friction at the interface of a previously debonded fiber based on the micro-scale properties of the contacting surfaces. Presented results illustrate that the macro-scale static coefficient of friction obtained from the proposed micro-scale model is independent of the normal load and is therefore consistent with the classical Amontons-Coulomb phenomenological laws of friction.     

黄泛区粉土-玻璃纤维增强聚合物复合材料布界面摩擦特性试验

玻璃纤维增强聚合物复合材料（GFRP）强度高、耐热性好、抗碱性腐蚀能力较强,目前已广泛的应用于土木工程领域中。为了研究黄泛区粉土和GFRP布之间的界面摩擦特性,利用TZY-1型土工合成材料综合测定仪开展了直剪摩擦试验研究,分析了含水率、压实度和法向应力对界面摩擦特性的影响。结果表明,黄泛区粉土和GFRP布的界面摩擦强度随着压实度的增大而增大;界面摩擦强度在土体的含水率最优时达到最大,超过最优含水率后会下降;界面抗剪力随着法向应力的增大而增大,摩擦系数随着法向应力的增大而降低。      

固化压力对一种纸基摩擦材料摩擦性能的影响

基于本实验室制备的一种炭纤维增强纸基摩擦材料, 研究了固化压力对材料孔隙率, 动摩擦系数, 静动摩擦系数之比, 摩擦力矩曲线的影响。研究结果表明: 孔隙率随固化压力增加而下降; 动摩擦系数随制动压力的增加均呈下降趋势; 静动摩擦系数比值随制动压力的增加分布趋势较为复杂: 较低的固化压力条件下, 静动摩擦系数之比略有上升, 而较高的固化压力条件下静动摩擦系数之比则略有下降趋势; 摩擦力矩曲线随固化压力升高有轻微翘曲出现。综合考虑固化压力对动摩擦系数、 静动摩擦系数比值以及摩擦力矩曲线的影响, 在这种纸基摩擦材料成分不变的条件下, 其对应较为合适的固化压力约为3.4MPa。