接触界面法向刚度等效的新方法

采用典型的粗糙体——刚性面接触模型,针对弹性和弹塑性两种材料,对比分析目前常用的一般接触界面法向刚度等效方法的准确性,说明其在处理弹塑性材料时存在较大误差,而不能完全计入塑性影响是造成此问题的本质原因。通过将整个弹塑性接触系统等效成一个包含全部塑性区域的界面接触层和一个无界面块体,虽然可以计入此种影响,实现和原系统的准确动力等效,但有厚度接触层的引入也将同时带来了单元划分过多、工程实用不便的问题。为此将接触层刚度进一步分离,最终给出一种法向接触刚度等效的新方法。该方法将接触系统等效为无厚度均质弹簧和一个原系统等大小的无界面弹塑性块体,这样不仅能够实现系统动力行为的完全等效,而且可完全计入接触体塑性区域的影响。同时新的等效方法和塑性区域厚度无关,从而避免对原系统网格划分的不便,典型算例的结果说明了新方法的准确性和有效性。     

超声键合系统接触界面非线性振动

为了提高超声键合换能系统的键合强度,降低换能系统的非线性振动,提高芯片键合的稳定性,本文从超声波在超声键合系统中的传播出发,建立了超声波在接触界面处传播的微观模型.当静应力较小时,由于动应力的作用,动应力幅度大于静应力,两种材料接触界面会发生分离,使输出的超声波不完整,材料内部质点振动位移较小;当静应力逐渐增大时,材料进入弹性变形阶段,输出的超声波波形与输入的超声波的波形一致,质点的振动位移最大;当静应力太大时,材料进入塑性变形区域,由于动应力的加载与卸载,应力与应变存在迟滞性,材料内部存在残余应力与残余应变,材料出现硬化现象,使输出超声波波形发生畸变,材料内部质点的振动位移减小.在倒装键合平台上进行了该模型的键合试验,使用多普勒测振仪,测量得到劈刀末端的振动速度,键合完成后测试了芯片键合强度.试验结果证明了该模型的正确性.     

线性法向振动接触界面的能量耗散特性

界面的非线性法向振动接触系统的能量耗散特性对描述界面动力学机理具有重要的理论意义和工程意义。基于赫兹接触理论,建立阻尼接头界面非线性法向振动接触的动力学模型,提出了有阻尼自由振动和简谐受迫振动的动力学响应和振动接触能量耗散的计算方法;建立了非线性法向振动接触系统的动力学方程,计算了有阻尼自由振动的能量耗散率和累计能量耗散率以及简谐受迫振动的输入能量和阻尼损耗能量;研究了非线性法向振动接触界面的能量耗散特性和能量传递关系,为描述振动接触界面的动力学提供了理论依据。     

综合变形下滚动轴承非线性静接触刚度研究

在弹性体条件下,考虑保持架因素,综合各零件的局部刚度与自身刚度的相互影响,应用有限元分析方法,将滚动轴承的接触状态转化为非线性接触问题。通过合理的模型设置,求解不同载荷下轴承各零件的接触状态并给出应力分布及其规律,通过内圈耦合节点位移得出静刚度变化规律。     

变约束条件下硬岩掘进机推进系统动态特性

硬岩掘进机在复合地质条件掘进时刀盘的波动载荷引起撑靴支撑刚度的变化,它们的耦合严重影响硬岩掘进机动态特性。应用Lagrange法建立硬岩掘进机推进机械系统动力学模型,研究岩石变形和不同撑靴支撑刚度下TBM进行直线和曲线推进时动态特性响应。结果表明,直线掘进时,岩石的变形和失效导致TBM掘进速度发生变化,掘进方向的位移变小,曲线掘进时撑靴与岩石的接触刚度变化对运动特性影响更为明显。     

两圆柱体结合面的法向接触刚度分形模型

法向接触刚度是影响接触体动力学性能的重要参数.法向接触刚度的计算主要有传统方法的Hertz接触理论和现代微观理论的法向接触刚度分形模型两种方法.为了准确地计算两圆柱体结合面的法向接触刚度,在前期研究成果的基础上,将法向接触刚度分形模型进行合理的扩充,建立两圆柱体结合面的法向接触刚度模型,该模型能正确地反映分形维数、表面粗糙度幅值、材料特性参数和圆柱体半径等参数对法向接触刚度的影响.由模型的仿真结果表明,随着分形维数、材料的特性参数、圆柱体半径的增加,表面粗糙度幅值参数的减小,法向接触刚度增加.另外,两圆柱内接触的法向刚度大于外接触时的法向接触刚度.该模型的建立为后续进行齿轮或圆柱轴承的法向接触刚度计算奠定了基础,对接触动力学研究有了新的理论补充.     

硬岩巷开拓掘进支护优化及机械配套研究

为解决硬岩巷掘进巷道支护工程量大、效率低下所导致的巷道掘进效率低下的问题,在对良庄煤矿水平大巷道地质条件分析的基础上,基于FLAC3D软件对不同掘进巷道支护方案的支护效果进行对比,提出了可缩短支护时间的支护方案.而后,结合硬岩巷道的实际情况为其配套高效、安全的掘进设备和辅助设备,为实现良庄煤矿水平大巷道的快速掘进奠定基...     

硬岩掘进机可掘进性分级性能预测模型的建立及实施

硬岩掘进机(TBM)性能预测是关于掘进机选型、设计和施工的核心问题。文中基于复杂地质条件下TBM掘进性能分级预测的前期研究工作,提出依托样本数据,建立在不同岩体可掘进性等级条件下,以特定岩体掘进指数(SRMPI)为性能预测指标,融合地质、施工等领域参数的TBM性能预测模型。在此基础上,通过模型细化和科学推导得到TBM其他系统级性能指标,从而建立完备的TBM性能预测体系。将所建模型应用于兰渝铁路西秦岭隧道工程的某一施工标段,预测结果验证了该模型的科学性、有效性和指导施工的可操作性。     

高速轮轨粗糙表面法向和切向接触刚度研究

为准确计算高速轮轨粗糙表面法向和切向接触刚度,基于W-M函数分形理论建立高速轮轨表面粗糙度三维数值模型;分析轮轨法向和切向接触刚度理论,运用有限元法离散轮轨接触面建立轮轨粗糙表面接触有限元简化模型;基于罚函数的面-面接触算法定义轮轨接触,加载位移载荷计算轮轨法向和切向接触刚度。计算结果表明:接触载荷作用下考虑轮轨表面粗糙度可更为准确地计算法向和切向接触刚度;轮轨法向接触刚度受法向载荷影响较大,且随着法向载荷的增加而增加,而摩擦因数对法向接触刚度的影响甚微;轮轨切向接触刚度随着法向载荷和摩擦因数的增加而增加,随着切向载荷的增加而减小。     

弹性状态下粗糙表面的法向接触刚度

粗糙表面接触问题是一类重要和具有实用价值的实际工程问题。采用Hertz理论和粗糙表面随机接触模型,研究弹性状态下粗糙表面法向接触刚度,推导出在不同接触体的法向接触刚度公式。由推导的理论公式可知,粗糙表面在随机接触模型中接触刚度跟载荷成正比,与表面粗糙度均方值成反比。     

机械结合面法向动态接触刚度理论模型与试验研究

机械结合面经常可能在动态条件下工作,使得结合面的接触状态偏离静态工作状态,导致接触刚度发生改变。为了揭示动态接触刚度的变化规律,考虑两个粗糙结合表面上单个微凸体由弹性变形向弹塑性变形以至最终向完全塑性变形转化的接触过程,建立一个振动周期内各变形阶段微凸体的平均接触刚度模型;在此基础上,基于高斯分布假设,建立整个粗糙结合表面的动态接触刚度解析模型。该模型揭示了接触面压、振动频率和相对位移振幅对动态接触刚度的影响规律,并与试验结果和静态接触刚度计算结果进行了比较。研究表明:法向动态接触刚度和静态接触刚度与接触面压之间的关系基本一致,但有一定偏离。这种偏离程度随动态位移幅值和振动频率的增加而分别呈线性和非线性增大。     

尺度相关的分形结合面法向接触刚度模型

基于分形理论,利用双变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟三维分形结合面,建立尺度相关的三维分形结合面法向接触刚度模型。推导出各等级微凸体发生弹性、弹塑性以及完全塑性变形的存在条件。确定结合面上各等级微凸体的面积分布密度函数,推导出法向接触刚度和法向接触载荷的解析表达式。计算结果表明：当结合面上的微凸体只能发生弹性变形,即自身等级小于弹性临界等级的微凸体,该部分微凸体引起的法向接触刚度和对应法向载荷关系呈非线性。当微凸体的等级大于弹性临界等级,在结合面接触过程中,微凸体弹性变形引起的法向接触刚度与对应的法向载荷关系为线性,非弹性变形引起的法向接触刚度与法向载荷关系为非线性。微凸体的等级范围对结合面的刚度影响较大,在相同的法向载荷作用下,高等级微凸体的结合面产生较高的法向接触刚度,即结合面越平整,结合面的法向刚度越高。     

Investigation into the Normal Contact Stiffness of Rough Surface in Line Contact Mixed Elastohydrodynamic Lubrication

In this work, the statistical asperity microcontact models in combination with the acoustic spring model and the load sharing concept are utilized to study the interfacial normal contact stiffness for a rough surface in line contact elastohydrodynamic lubrication (EHL). Two different statistical microcontact models of Greenwood and Williamson (GW) and Kogut and Etsion (KE) are employed to derive the normal contact stiffness expressions for a dry rough line contact considering the purely elastic contact and the multiple regimes elastic–elastoplastic–fully plastic contact, respectively. The liquid film stiffness is calculated based on the relationship between film thickness and bulk modulus of the lubricant. The lubricant film thickness equations are employed in conjunction with the load sharing concept and the empirical formulas for the maximum contact pressure in a dry rough contact are fitted for the GW model and the KE model, to evaluate the relationship between film thickness and motion velocity for the purely elastic GW microcontact model and the multiregime KE microcontact model, respectively. The comparison with experimental results shows that the KE model predicts closer total contact stiffness results than the GW model. The stiffness contributions from the solid asperity contact and lubricant film are obtained and effects of surface roughness, applied load, motion velocity, and type of lubricant on the normal contact stiffness are analyzed.     

考虑硬度变化的结合面法向接触刚度分形模型*

基于分形几何理论,考虑微凸体因应变硬化而造成弹塑性变形阶段硬度随变形量变化而变化,建立结合面第一、第二弹塑性变形阶段单次加载刚度分形模型。推导出在计入硬度变化的情况下,单个微凸体在弹塑性变形阶段法向接触刚度与接触面积之间的关系式,进而得出结合面在弹塑性变形阶段法向接触刚度与接触面积、接触载荷之间量纲为一的关系式,并通过仿真分析得出相关参数对结合面法向接触刚度的影响。仿真结果显示:考虑硬度变化时,结合面量纲一法向接触刚度的值与法向实际接触载荷、实际接触面积之间存在关系;结合面法向接触刚度随着分形维数D的增大而增大;分形维数一定时,结合面法向接触刚度随表面长度尺度参数G值增大而增大。     

考虑结合面法向刚度的拉杆转子轴向振动特性

针对接触刚度解析模型参数确定困难、精度难以保证等问题,提出了根据弹塑性粗糙表面微体单元受力变形的有限元分析结果确定轮盘结合面法向刚度的方法;为准确获取拉杆转子的轴向振动特性,建立了考虑轮盘结合面法向刚度的集中质量动力学模型;运用上述方法和模型计算了某型实验转子轴向振动的固有频率,并将结果与实测数据进行对比,误差低于5%,证明了该方法的有效性;改变拉杆预紧力,进一步研究预紧力对拉杆转子动力学行为的影响,结果表明：拉杆预紧力对转子的作用效果存在一个饱和区域,可为拉杆预紧力数值的确定提供重要的设计依据。     

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。     

支承系统的刚度对转子动力特性的影响

转子的动力特性受到很多因素的影响,其中,支承系统的刚度是一个重要因素。通过在有限元分析软件ANSYS中建立某小型燃气轮机支承系统的三维有限元模型,分析了其静刚度和动刚度。以该燃气轮机的压气机转子为例,文中考察了支承系统的刚度对其临界转速和稳态不平衡响应的影响。计算结果表明,与仅考虑轴承的支承刚度相比,同时考虑支承系统刚度的情况下,压气机转子的第一阶临界转速下降了约54%,其第一级叶轮的稳态不平衡位移响应的峰值下降了56.9%。     

角接触球轴承刚度矩阵的理论推导与计算

根据滚动轴承几何学、运动学基本原理和Hertz弹性体接触理论,同时考虑径向载荷、轴向载荷、球离心力和陀螺力矩的影响,建立了角接触球轴承刚度矩阵的计算模型。计算了某型发动机角接触球轴承在实际工况中的刚度矩阵,为该型发动机轴承-转子系统的动态分析提供了较为准确的边界条件。     

新型TBM螺旋槽滚刀破岩性能及接触行为研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备,在川藏铁路等国家重大战略工程中发挥着重要作用。但TBM在硬岩地层施工中仍然面临所需推力大、掘进速度慢、滚刀损耗严重等问题,亟待解决。尝试探索基于滚刀表面结构设计调控刀-岩接触的可行性,设计了一种新型螺旋槽盘形滚刀。使用直线切割破岩实验研究不同贯入度和岩石种类下新型滚刀的破岩性能,并利用颗粒流离散元数值仿真对其破岩机理进行阐释。结果表明,滚刀表面的螺旋槽设计可以显著地降低破岩时切削力,而对生成的岩石碎片总体积无明显影响,因此可以显著减小滚刀做功,降低破岩比能,提高破岩过程的能量利用效率。其机理在于螺旋槽有效地优化了岩石内应力分布,使得同一滚刀前后相邻的刃齿在沟槽下方岩石中形成拉应力区,该部分岩石未与滚刀直接接触形成岩石粉末,而是由拉裂纹互相贯通形成岩石碎片,即减少了岩石粉末数量、缓解了岩石过度破碎程度,最终达到了降低切削载荷和破岩能耗的效果。     

复杂曲面模具加工系统综合刚度场建模与分析*

在加工汽车覆盖件模具复杂曲面时,机床-刀具刚度、刀具位姿变化、模具型面变化都会影响加工系统综合刚度,进而影响模具加工精度。以四轴数控加工中心为例,针对模具曲面特征设置相应采样点,依据多体小变形理论,通过点传递矩阵、雅可比矩阵等完成该采样点的加工系统综合刚度建模,并引入了力椭球。在刀具不同的空间姿态下,通过力椭球分析了机床横梁、刀柄、刀具、模具曲面特征等对加工系统综合刚度性能的影响,揭示了曲面模具加工系统综合刚度的分布规律。最后通过试验证明,该理论模型可以有效地优化复杂型面模具加工工艺,减小模具的加工误差。