微织构曲面的结合面的接触阻尼特性研究

研究微织构曲面结合面上的表面形貌参数对曲面结合面接触阻尼的影响。分析结合面阻尼来源,建立了结合面单个微凸体阻尼的数学模型。进一步的,以平面微凸体的分布密度函数为理论依据计算曲面接触微凸体的数量,并研究曲面结合面上织构密度、材料特性参数,以及施加的动态载荷的频率和幅值对接触阻尼的影响。经过研究及实例分析结果表明：织构密度越高,曲面结合面间的接触阻尼越小;随着材料特性参数的增大,法向接触阻尼越来越大;伴随振动频率加大,相同的载荷下接触阻尼逐渐减小;动态变形幅值越大,接触阻尼越大。     

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。     

结合面法向接触刚度分形预估模型及其仿真研究

从微观角度出发,基于结合面的"固-隙-固"接触模型、摩擦学理论和分形接触理论建立了考虑域扩展因子影响的结合面法向接触刚度的分形预估模型,在一定程度上完善了结合面动力学参数的分型模型.通过仿真分析揭示了法向载荷、分形维数、尺度参数以及单个微凸体接触刚度和材料参数对结合面法向接触刚度的影响。仿真分析表明:结合面法向刚度系数随着法向载荷的增大而增大,增大结合面法向载荷有利于提高结合面的法向接触刚度;在不同分形维数的范围内,法向接触刚度均随着结合面分形维数不同而不同.此外,法向接触刚度随着分形特征长度尺度参数的增大而减小,随着单个微凸体接触刚度的增大而增大;而材料参数的增大,使得法向接触刚度也增大.     

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。     

具有微织构形貌的结合面法向接触刚度分形模型的研究

研究微织构结合面上的表面形貌参数对结合面法向接触刚度的影响。根据微织构表面的形貌特征,将微织构表面分为织构前表面和织构区域两部分,由分形接触理论计算出织构前表面上微凸体的基本参数,忽略织构区域底部未接触部分,将微凸体在接触载荷作用下的变形分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。由接触力学理论,首先建立织构前表面上单个微凸体的法向接触刚度模型。然后由微观到宏观,结合微织构表面的织构形貌特征,构造整个宏观微织构结合面的法向接触刚度计算模型,研究不同的表面形貌参数对于微织构界面上法向接触载荷、微凸体因载荷产生的变形以及法向接触刚度的影响。经过仿真分析之后,结果表明,当微织构结合面的法向接触载荷不断增大时,结合面的法向接触刚度总体呈单调上升趋势;并且随着织构密度的增加,结合面上由于织构形貌的存在,使得一部分微凸体未产生变形,从而减小结合面的法向接触刚度,并且当法向载荷增加时,这种效果会更加明显;在相同的接触载荷下,塑性指数越高,处于塑性变形状态的微凸体就越多,从而使具有微织构形貌的结合面的法向接触刚度变大。     

结合面形貌特性对模态耦合不稳定系统的影响

针对目前结合面微观形貌特性对由摩擦和系统结构双重引起的模态耦合系统的稳定性影响的理论研究缺少,尝试从微观角度解释结合面形貌对宏观系统的动态特性影响。基于分形理论建立结合面形貌较为准确的法向、切向接触刚度模型;以车辆制动盘为对象,将所建立的分形接触刚度模型引入其中,建立一个两自由度的典型模态耦合模型;研究了结合面切向与法向的刚度比、摩擦因数和固有频率比对系统稳定和不稳定区的影响,以及系统出现不同频率噪声的条件。研究可知,形貌参数是结合面产生振动噪声的主要影响因素;结合面形貌特性不同,系统产生振动噪声的频率和条件也不同。这些结论有助于更深入地研究结合面形貌特性对宏观系统的影响;同时可为工程设计制造合适结合面形貌提供参考,具有一定的工程意义。     

机械结合面接触刚度建模新方法

建立精确、有效的结合面接触刚度模型是进一步开展机床整机动力学建模与分析的基础。提出了一种新的弹性接触刚度模型,该模型考虑基体变形的同时,对GREENWOOD和WILLIAMSON提出的粗糙表面微观接触模型(GW模型)进行了修正。为分析基体对接触变形的影响,首先建立含有基体的单个微凸体接触模型,并基于HERTZ接触理论,获得结合面的接触参数;然后,通过引入三角分布函数和解决GW模型在模拟微观接触行为中存在的问题,建立了新的弹性接触刚度模型,并揭示了分布函数、基体变形以及表面粗糙度对结合面接触特性的影响规律。研究表明:三角分布函数能有效地表征表面微凸体高度分布;基体变形的影响是由基体和微凸体相互作用引起,随着法向载荷的增大而明显;表面粗糙度是影响接触刚度的主要因素,相同载荷下,表面粗糙度越大,接触变形越大,接触刚度越小。     

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。     

结合面静摩擦因数尺度关联三维分形模型

针对现有结合面静摩擦因数分形模型的静摩擦因数随结合面法向接触载荷增大而增大,与试验研究结论及统计模型不一致的问题,基于尺度等级定义微凸体的大小,严格区分微凸体高度与变形,构建各尺度等级微凸体的法向接触载荷与接触面积之间关系及其发生弹性和弹塑性第一变形时所能承受的最大切向载荷即最大静摩擦力计算模型,进而建立结合面法向接触载荷与最大静摩擦力计算模型,在此基础上,依据结合面静摩擦因数定义,提出与微凸体尺度等级关联的考虑微凸体完全弹性、弹塑性和完全塑性三种变形机制的结合面静摩擦因数三维分形模型,数值仿真分析了结合面静摩擦因数与法向接触载荷和分形维数D等的关系,结果表明结合面静摩擦因数随着结合面法向接触载荷的增大而减小,随着分形维数的增大而增大,并试验实例验证了所建模型的正确性,解决了现有结合面静摩擦因数分形模型与统计模型和试验结果之间的不一致性.     

基于有限元的三维随机形貌结合面接触分析

机加工结合面表面形貌是三维的、随机的,传统的基于微凸体的接触模型由于进行了大量假设,其结论只能在较为苛刻的条件下成立。据结合面三维形貌测量得到的数据,重构出不同材料、加工方式的表面,采用有限元法建立了随机表面的接触模型,通过接触分析来获得了下结合面法向变形量随外载荷的变化规律,并推导出单位面积上结合面法向刚度系数的表达式。结果表明,结合面法向变形量与法向载荷基本符合幂指数函数关系;表面加工方式的不同对于结合面接触性能的影响较大,磨削表面的法向变形量明显小于铣削表面;除铸铁铣削表面外,其他结合面的法向刚度系数趋于稳定,彼此之间相差不大。     

机械结合面法向接触刚度和阻尼的理论模型

基于统计接触理论和等效粗糙接触表面假设,考虑微凸体在加卸载及动态载荷下的变形特征,建立了结合面法向静、动态接触模型,获得了单位面积法向静、动态接触刚度与接触阻尼(基础特性参数)。基于Kadin和Etsion的粗糙表面弹塑性卸载接触模型,通过引入微凸体卸载过程中残余变形与最大变形量及最大接触载荷之间的函数关系,建立静态加卸载接触模型。针对结合面间简谐动态相对位移,利用泰勒公式对静态接触载荷和接触刚度进行展开,得出了动态接触载荷、接触刚度的增量以及动态接触载荷下的能量损耗,建立了法向动态接触刚度和接触阻尼的计算模型。分析了结合面面压、动态位移幅值及振动频率对动态接触刚度和接触阻尼的影响规律,研究表明:法向动态接触刚度相对静态接触刚度有微小偏移增量,动态接触刚度增量和接触阻尼随法向面压及动态位移幅值的增大而非线性增大,动态接触刚度增量随振动频率增加呈非线性增大,而接触阻尼则随振动频率增加呈非线性减小。通过理论计算与试验结果的对比分析,证明了本文建立的结合面法向静、动态接触刚度及接触阻尼理论模型的正确性。     

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。     

齿面微观几何形貌对齿轮啮合振动影响的研究

为探讨齿面微观几何形貌对齿轮啮合振动特性的影响,基于真实齿面的统计特性,借助分形几何理论以及Herz公式,建立了基于真实齿面微观几何形貌的法向接触阻尼的近似数学模型。在此基础上,对比磨削加工和电化学光整加工所得齿面微观几何轮廓的分形参数,分析了加工方法对齿面法向接触阻尼特性的影响,并进一步研究了齿面法向接触阻尼对齿轮啮合振动特性的影响。结果表明:齿面微观几何形貌影响齿轮的啮合振动;加工方法影响齿面法向接触阻尼的变化率;与磨削加工相比,电化学光整加工齿面的法向接触阻尼更大,可减小齿轮啮合振动,有助于提高振动的稳定性。     

混合型RBM在结合面接触模型中的应用

为了预测不同加工方式下的表面形貌参数,提出一种基于混合型约束玻尔兹曼机(RBM)的表面形貌参数预测方法,针对RBM泛化能力较低、且固定的训练率不利于网络跳出极小点的问题,应用稀疏自动编码机实现预测数值的特征提取,设计混合型RBM神经网络预测出表面形貌参数值。在无监督训练中,利用一种动态学习率法则改进网络来提高特征向量映射的准确度,为了提高无监督学习阶段的训练速度,使用对比分散准则快速训练神经网络,通过混合型RBM训练模型任意输入加工参数即可获得结合面的表面形貌参数。为了将结合面参数直接应用于工程,基于表面形貌参数、采用分形理论推导了接触模型应用的实现过程,将结合面微观状态不均匀载荷下各节点的刚度、阻尼值植入有限元模型,最终通过与相同试件的实验值对比,验证了结合面实现方法的正确性,为数控机床结构优化与精度提高提供了基础。     

菲涅耳微透镜芯模表面形貌的检测及加工误差分析

采用扫描白光干涉法对菲涅耳微透镜芯模表面浮雕结构进行了检测,并对元件表面微观形貌进行了三维重建.根据其表面形貌数据,引入幅度参数表征法,分别计算出横向线宽误差以及样品的系统刻蚀深度误差和随机刻蚀深度误差等纵向加工偏差.通过表面高度分布的偏斜度、表面高度分布的峭度等参数获得了有关微芯模表面误差和缺陷的量化信息.实验研究表明,扫描白光干涉法能精确定量化表征微芯模表面形貌特征,这对探索适用于新型微光学器件表面三维形貌误差的无损检测评价方法具有实际意义.     

表面微观形貌的分形表征及模拟

最后的研究表明，机械加工表面的微观形貌具有自仿射性和多尺度性，因而表面形貌的高度分布方差、斜率和曲率的方差工现进唯一的。基于分形几何理论，用Ｗｅｉｅｒｓｔｒａｓ－Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ分形函数来表征表面的微观形貌，所得到的参数是不依赖于测量尺度而变的“固有”参数。根据分形几何建立的表面轮廓的数学模型可对表面轮廓进行模拟，为建立三维表面形貌的评定参数提供理论依据。     

弹塑形变的结合面法向刚度分形模型及仿真

为了探索微凸体的更真实的变形状态,同时进一步完善结合面的接触刚度分形模型,对M-B分形模型进行了修正,分析了微凸体在弹性、弹塑性以及塑性各阶段的变形状态.从宏观和微观相结合的角度,建立了基于分形理论和赫兹接触理论的结合面法向刚度分形预估模型,该模型具有几何特性和尺度独立性.通过仿真分析揭示了相关参数对结合面法向接触刚度的影响.仿真结果表明:结合面法向接触刚度随着法向载荷、分形维数以及材料特性参数的增大而增大,分形维数对法向接触刚度的影响尤为明显;而结合面的法向接触刚度随着分形尺度参数的增大而减小.     

电化学蚀除法调控1Cr18Ni9Ti表面润湿性的研究

在微流体、自清洁材料、生物材料、食品制药等领域,很多零部件工作表面需要具有特定的润湿性以满足使用要求。材料表面微观形貌对表面润湿性具有重要影响,表面微观形貌包括多方面参数,针对1Cr18Ni9Ti材料,以电化学蚀除法为技术手段,通过大范围内调整加工参数,获得不同表面微观形貌,以表面形貌参数中的轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry反映轮廓高度特征,以轮廓单峰平均间距S、轮廓微观不平度的平均间距Sm反映轮廓宽度特征,以宽高比参数Sm/Ra、Sm/Ry和Sm/Rz反映轮廓形状特征,试验研究经过电化学蚀除形成不同表面微观形貌后的润湿特性,结果表明轮廓算术平均偏差Ra越大、轮廓微观不平度的平均间距Sm越小,宽高比参数Sm/Ra、Sm/Ry和Sm/Rz越小,表面润湿性越好。利用回归分析和BP神经网络对表面接触角进行模拟和预测,结果表明采用回归分析实现表面微观形貌的预设计和采用BP神经网络预测表面形貌特征参数对接触角的影响是可行的。     

考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模

在涉及微凸体侧接触的粗糙表面接触建模过程中,通常需要假定微凸体之间侧接触的角度分布规律。提出一种考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模方法,该方法不再需要假定角度分布规律,而是基于首次发现的单个粗糙表面微凸体水平距离正态分布规律,根据统计学理论进行考虑微凸体相互作用的结合面法向接触刚度建模。对模型进行数字仿真发现：结合面法向接触刚度与接触载荷均随着微凸体水平距离标准差的减小而增大,并且考虑微凸体相互作用会使得结合面的法向接触刚度减小。结合面法向接触刚度随弹性模量的增大而减小,随材料硬度的增大而增大。通过有限元仿真结果与模态试验结果对比可知,基于模型的有限元仿真前三阶固有频率与试验所得结果基本吻合,并且误差相对GZQ模型更小。旨在通过研究单个粗糙表面微凸体水平距离分布,突破侧接触建模时接触角度分布函数仍需假设的理论瓶颈,为更加准确地预测结合面接触特性奠定基础。     

多载荷历程作用下螺栓结合部特性实验及分析

以往对结合部刚度特性的研究多着重于不同粗糙度结合部的横向对比，较少或忽视了同一结合部在载荷作用下多次循环历程加载时加载前后刚度特性的纵向对比，以及忽视多次循环历程加载时加载前后表面部分微凸体高度变化的纵向对比。实际上，不论刚度特性还是界面部分微凸体，在多次载荷历程作用下都会变化，这就使预测设备的动静态性能复杂化。针对这一问题，本文基于实验研究了粗糙表面单元螺栓结合部刚度特性在循环载荷历程作用下的变化规律，为量化研究和更好的应用这一规律，对本文各载荷历程曲线进行了数值拟合。纵向比较研究发现：单元结合部刚度特性随载荷作用历程循环次数的变化而变化，即：随着载荷历程作用次数的增加，单元螺栓结合部变形减小，结合部刚度增加。为进一步了解刚度特性变化的机理，还对结合部接触表面进行了载荷作用后的显微镜观察，发现结合部螺栓孔附近的表面部分微凸体高度在螺栓多次循环预紧力作用下有不同程度的塑性变形。