表面形貌对粗糙接触界面流体润滑特性的影响

为探究不同表面形貌对粗糙接触界面液体润滑特性的影响，基于有限差分法结合雷诺方程和膜厚方程，研究阶梯形貌、波纹形貌、随机形貌和峡谷形貌4种不同粗糙接触界面液体润滑时的载荷分布及规律。研究发现：4种粗糙表面的三维载荷分布规律都与其表面形貌相对应，在波“峰”处载荷大，摩擦力随载荷的增大而增大，在波“谷”载荷小，摩擦力随载荷减小而减小；4种粗糙表面的载荷随表面展开面积比的变化趋势却有所不同；随表面展开面积比的增大，阶梯形貌表面的载荷呈线性增大，波纹形貌表面的载荷基本不变，随机分布形貌表面的载荷呈增大趋势，峡谷形貌表面的载荷呈先增大后减小的变化趋势。研究结果可以进一步补充现有表面形貌表征和流体润滑等相关研究理论。     

一种结合部法向刚度的预估方法

提出一种结合部法向刚度的预估方法.通过表面形貌测量仪获取粗糙表面的轮廓数据,拟合生成粗糙表面轮廓曲线,在此基础上建立考虑摩擦的二维粗糙表面的有限元弹塑性接触模型,用罚函数法计算压力在0～0.8 MPa的加载过程中接触层的应力、位移和接触面积.计算结果表明,粗糙表面真实的接触面积在低载荷下快速增大,高载荷下的增大速度很缓...     

基于分形理论的结合面微观接触特性分析

为了研究结合面微观接触特性,基于分形理论,建立粗糙表面轮廓模型,进行结合面接触趋近耦合研究。通过二维粗糙表面与光滑表面微观接触趋近过程的仿真分析,研究分形维数、表面粗糙度、位移载荷对结合面接触状态的影响机理。提出利用激光声表面波检测粗糙结合面接触的方法,并进行了实验验证。研究结果表明,粗糙表面微凸体形貌是决定材料接触性能的关键因素;微凸体接触形成的真实接触面积远小于名义接触面积。工程问题中,通过名义接触面积计算出的载荷与材料表面实际承受的载荷存在较大差异。     

基于纵向粗糙纹理的高副接触机械零件的润滑特性探究

首先对表面粗糙纹理呈纵向分布的圆盘试件进行了实测,获得了粗糙度数据;接着,运用傅里叶非线性变换得到了表面粗糙度函数;然后,将此函数叠加到油膜厚度方程中建立了高副接触机械零件的混合弹流润滑模型。基于此模型,通过改变润滑剂黏度先后进行了45组数值计算。结果表明:纵向纹理粗糙表面的平均油膜厚度始终小于光滑表面接触时的膜厚值,但当油膜比厚大于一定值后,二者逐渐趋于一致;随着润滑剂黏度的增大,粗糙表面接触应力逐渐降低,但始终大于光滑表面接触应力;然而,无论是粗糙表面还是光滑表面接触,其接触应力均小于赫兹应力。这也再次表明,合理润滑可有效提高机械零件的接触疲劳寿命。     

圆柱滚子轴承次表面裂纹区域应力分布规律研究

圆柱滚子轴承套圈滚道次表面裂纹将改变滚子表面与滚道之间的接触特性，从而影响轴承的工作特性。针对这一问题，研究了次表面裂纹的长度、宽度和倾斜度对裂纹区域应力分布的影响规律。首先，采用有限元方法，建立了轴承滚子与滚道等效接触的计算模型，并将有限元模型与赫兹接触理论的算例计算结果进行了对比，对有限元模型的正确性进行了验证；然后，基于圆柱滚子轴承次表面裂纹的形态特征，提出了含次表面裂纹的滚子与滚道接触有限元计算模型；最后，基于有限元模型，分析讨论了次表面裂纹的深度、宽度和倾斜角度对滚道次表面应力区分布范围的影响规律。研究结果表明：当次表面裂纹的宽度增大时，应力区的深度和宽度都迅速增大；当次表面裂纹的深度增大时，应力区的深度和宽度都迅速降低；当次表面裂纹的高度与宽度一定时，次表面裂纹的倾斜角越大，次表面应力区越小，次表面裂纹对轴承接触特性的影响也越小。     

基于微观模型分析的承压粗糙界面接触状态超声评价方法

提出一种用于承压界面接触状态超声评价的粗糙界面微观模型。通过对承压粗糙表面微观特性理论分析,建立粗糙界面微观形貌参数与承压界面超声响应之间的关系。开展三种不同粗糙度承压铝界面超声透射试验,得到加载和卸载过程界面透射系数随压力变化关系,进而获得界面接触刚度和非线性系数。研究表明,在较小压力情况下,超声非线性系数对承压界面接触状态评价具有更高的灵敏度。通过对试验检测数据进行非线性最小二乘拟合处理,确定出接触界面微观形貌特征参数,进而计算出接触界面声学特性指标。理论计算得到声学特性与试验结果吻合较好,证明粗糙表面微观模型用于非完好界面声响应预测的有效性。     

界面因素对机械结合面超声传播的影响

利用超声脉冲回波法可以测量机械结合面间的压力分布，但是其测量精度受界面接触条件的影响，如压力加载历史、表面粗糙度、接触介质等。根据超声在接触界面的传播机制，分析得到接触界面回波能量系数与界面接触压力之间的关系模型；搭建室内超声检测系统，加工不同粗糙度的接触表面，准备不同的润滑介质，对不同接触条件的试件进行压力加载试验，得到结合面回波能量系数随压力变化的曲线。结果表明：首次加载过程所得曲线明显区别于后几次加载，随循环次数的增加，所得曲线逐渐趋于重合；相同接触压力下，接触表面粗糙度越大，回波能量系数越大；相同接触压力下，接触介质的物质属性不同以及与不同粗糙度的表面相互作用时，回波能量系数有所不同。研究表明，载荷加载历史、接触表面形貌及接触介质都是影响超声在接触界面传播的主要因素，研究结果对结合面接触应力分布的准确测量具有参考价值。     

粗糙体变形特性对接触过程的应力与应变的影响

运用W-M函数生成分形粗糙表面,建立一个新的双粗糙体接触模型,采用有限元方法模拟仿真了在粗糙体不同变形特性条件下的接触过程,并分析了接触表面的应力分布及不同接触位置的塑性应变随深度的变化规律．结果表明双粗糙接触表面的应力主要集中在个别的较高微凸体上,其应力最大值出现在微凸体肩部区域的位置;等效塑性应变在不同位置沿深度的变化,呈现出不同的规律,微凸体顶部区域沿深度方向的最大等效塑性应变均发生在次表层,材料表层下的塑性应变将会导致材料表层中的夹杂或微观缺陷周围萌生微孔和裂纹源,对比不同变形特性的模型,得出弹塑性一刚体模型的最大应力及应变值都大于弹塑性一弹塑性模型。     

含多粗糙峰涂层等效应力的有限元分析

研究刚性平面与含粗糙峰涂层在二维与三维模型下的弹性接触问题,采用有限元法分析涂层弹性模量比、涂层厚度、粗糙峰间距、刚性平面压下深度对涂层粗糙峰表面、涂层/基体界面分布及基体等效应力分布的影响。计算结果表明压下深度对三维涂层粗糙峰表面最大应力的影响最大,涂层厚度、涂层/基体弹性模量比、粗糙峰间距的变化对应力值影响逐渐减小;增大涂层厚度、减小压下深度和粗糙峰间距、降低弹性模量比会使得三维接触模型最大等效应力值显著降低;增加涂层粗糙峰数和涂层厚度、同时降低涂层弹性模量有助于提高涂层/基体界面结合强度。相对于二维接触模型来说三维接触模型在粗糙峰表面的等效应力增大,造成这种变化的主要原因是由于涂层表面粗糙峰之间的等效应力叠加引起的。该研究为涂层粗糙峰及涂层/基体界面强度的应力分析提供依据。     

基于真实粗糙齿面的齿轮传动接触应力分析

现行齿轮传动接触疲劳强度的设计基础是仅适用于一对光滑表面之间干接触的赫兹理论,这显然与齿轮传动实际状况有一定差异。为获得齿轮传动实际状况的齿面压力分布、油膜厚度及轮齿接触区次表面的应力分布,基于实测所得的表面粗糙度数据,采用有限元法对重载齿轮传动进行混合弹流润滑数值分析。结果表明:粗糙齿面接触时的齿面压力分布及轮齿接触区次表面应力分布均明显相异于赫兹分布或基于光滑齿面全膜弹流润滑计算所得的相应分布;齿面粗糙峰谷的存在会使齿面接触应力比赫兹接触应力增大25%左右,且齿面平均油膜厚度的最小值及接触应力的最大值均发生在啮入点而非节点。因此,现行的以赫兹应力为基础、以节点参数为依据进行齿轮传动接触强度设计的做法有失科学性和安全性。     

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,分析正弦和非高斯粗糙表面接触的压力和切向应力的分布,通过对光滑与粗糙表面的研究对比,表明:(1)在正弦表面接触切向应力分布呈现尺寸效应;(2)在非高斯表面接触中,切向应力分布跟光滑表面形状类似;同时由于粗糙峰存在,粗糙表面下的切向应力比光滑表面下的要大,研究粗糙表面微动接触对实际工程具有重要意义。     

复合材料的切削加工表面质量

从已加工表面几何特性，加工硬化和残余应力几方面探讨了复合材料的切削加工表面质量问题。研究结果表明，复合材料的已加工表面包含大量的加工所致缺陷，增强体的特性和取向分布，刀具条件是决定复合材料已加工表面形貌的主要因素；复合材料已加工表面硬度甚至低于加工材料，而皮下层材料通常发生显著的加工硬化；微观上复合材料切削变形区的应力状态很复杂，实践上，复合材料的已加工表面常残余压应力，或表面加工缺陷使大部分热应力和弹性恢复应力均被释放。     

弹塑性粗糙体/刚体平面滑动摩擦过程热力耦合分析

建立一具有三维分形特性的弹塑性粗糙表面与一理想刚性平面接触的热力耦合模型,充分考虑粗糙表面接触微凸体间的相互作用及接触界面摩擦热流耦合等的影响.运用大型有限元软件ANSYS中的非线性有限元多物理场方法,数值模拟并分析了滑动摩擦过程粗糙实体的热、力分布规律.发现由于速度的突变,滑动初始摩擦表面最高温度急剧升高,而匀速滑动中温升缓慢;整个滑动摩擦过程中粗糙表面的VonMises等效应力分布极其不均,且在接触凸点后方距表面一定深度处存在一拉应力区;在滑动瞬间及其闪点温度形成时,粗糙实体表面的VonMises等效应力发生明显变化,且最大拉应力值及其拉应力层厚度明显增大,此结果为材料裂纹萌生及扩展提供了一定的理论依据.     

平板式固体氧化物燃料电池封接气密性的LBM模拟与分析

对平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)的压缩密封结构的泄漏特性进行定量研究。为模拟粗糙泄漏通道的复杂形貌,采用粗糙表面数值重构技术来构建不同气体泄漏通道;考虑流动通道尺度细微、边界复杂,应用格子Boltzmann方法(LBM)对气体流动特性进行数值分析,建立包括粗糙表面几何特性参数在内的泄漏率计算模型;通过单粗糙峰微观接触力学分析,建立泄漏通道结构特征参数随应力变化的定量关系式,并分析各种因素对封接气密性的影响。结果表明:压缩密封结构的主要影响因素为粗糙表面形貌、密封材料机械力学特性、密封流体物性以及密封结构工作状态;表面粗糙度越大,温度越高,泄漏率越低;压缩密封过程中材料变形较小,对泄漏率的影响也较小;不同介质的热物理性质差异会引起泄漏率的不同。将提出的模型应用于某SOFC密封结构的泄漏率预测,计算结果与实验测量结果吻合良好,验证了模型的准确性。     

三维真实粗糙结合面法向接触刚度研究

针对目前建立结合面粗糙表面模型主要以统计数方法和分形方法居多的情况,利用LEXT OLS4000测量仪测量得到真实表面形貌数据,基于小波理论对数据进行了降噪、分解和重构等顸处理,将数据导入到Pro/E中建立真实表面模型,运用ANSYS对结合面进行接触分析.带粗糙面的微元体被等效为无厚度界面和相同大小的光滑微元体串联,得出无厚度界面法向接触刚度.研究表明:表面形貌造成的接触应力分布不均匀和局部塑性变形导致结合面法向接触刚度随着压力的增加先增大后减小,并随着表面粗糙度参数值的增加而降低;不同的加工方式也影响着结合面的法向接触刚度.     

渗氮钢粗糙表面的弹塑性接触研究

利用弹塑性有限元和单纯形法求解弹塑性接触模型，分别模拟了屈服强度呈梯度变化的渗氮钢、未经处理的匀质材料和硬涂层材料粗糙表面的弹塑性接触行为。与未经处理的匀质材料相比，渗氮钢可承受更大接触载荷。在相同载荷作用下，渗氮钢表面粗糙峰接触面积较小，平均间距较大，接触体内材料不易发生屈服，从而显著提高接触性能。和硬涂层材料相比，渗氮钢接触体内等效von Mises应力分布平缓，没有应力突变。最后讨论了渗氮层和硬涂层的厚度对粗糙表面接触特性的影响。     

二维多粗糙峰粘着接触问题的有限元分析

应用Barquins理论的圆柱体粘着接触理论和Maugis-Dugdale模型以及有限元方法分析了圆柱形粗糙峰的刚性粗糙表面与半无限弹性表面的二维微观粘着接触问题。研究了粗糙峰间距,粗糙峰曲率半径和外载荷等参数对金属材料微观粘着接触问题接触压力和接触区域von Mises应力分布的影响。结果表明,在零载荷下,改变粗糙峰间距对于粘着接触没有影响,而改变曲率半径则影响较大。在外载荷作用下,改变粗糙峰间距和曲率半径均会影响粘着接触的压力分布和应力分布。     

材料属性温度相关热弹塑性接触问题研究

应用有限元方法建立了可考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触模型.研究了摩擦力和不同热输入情况下圆柱体与弹塑性平面的接触力学特性.求解了考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触问题,探讨了摩擦热效应对表面温升、接触压力、平均间隙及接触体应力分布的影响.提出了考虑热膨胀系数温度相关效应的热弹塑性接触模型.通过刚性圆柱体与半无限大平面的热弹塑性接触研究了热膨胀系数温度相关效应对接触体应力分布的影响.     

材料属性温度相关热弹塑性接触问题研究

应用有限元方法建立了可考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触模型。研究了摩擦力和不同热输入情况下圆柱体与弹塑性平面的接触力学特性。求解了考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触问题,探讨了摩擦热效应对表面温升、接触压力、平均间隙及接触体应力分布的影响。提出了考虑热膨胀系数温度相关效应的热弹塑性接触模型。通过刚性圆柱体与半无限大平面的热弹塑性接触研究了热膨胀系数温度相关效应对接触体应力分布的影响。
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二维自适应粗糙表面弹塑性接触模型

提出一种基于自适应粗糙表面描述的弹塑性接触模型。根据某一给定阈值,去除粗糙表面上对接触力学行为影响较小的结点以减少计算时间。采用在计算区域划分及结点排布上较为灵活性的无网格伽辽金—有限元耦合方法求解自适应粗糙表面弹塑性接触模型。算例表明,当接触压力相对误差约为5%时,自适应接触模型的计算时间相对于非自适应接触计算可减少约50%。分析不同阈值对接触压力分布、接触间隙及接触体弹塑性应力分布的影响。