PEEK摩擦信号分形维数与表面形貌相关性试验研究

为研究聚醚醚酮树脂/球墨铸铁摩擦副磨合初期摩擦信号分形维数与聚醚醚酮初始表面形貌分形维数的相关性,在UMT-3MT摩擦磨损试验机上对聚醚醚酮树脂/球墨铸铁摩擦副进行了摩擦磨损试验,运用结构函数测度法对初始表面形貌、摩擦力信号、摩擦因数信号进行了分形表征,计算得到了不同载荷下的分形维数。研究结果表明,聚醚醚酮初始表面和摩擦信号均具有显著的分形特征;在相同速度、相同初始表面下,摩擦信号的分形维数随着载荷的增大而增大;在相同速度、不同载荷下,磨合初期摩擦信号的分形维数均与初始表面分形维数负相关。     

摩擦副磨合过程摩擦因数时间序列分形行为研究

为探究在油润滑条件下,涡旋压缩机端面摩擦副接触面在磨合初期与稳定磨损阶段摩擦因数局部时间序列曲线的分形行为,在TRB多功能摩擦磨损试验机上采用球墨铸铁分别与不同表面粗糙度的铜合金和铝合金进行摩擦磨损试验,采集磨合过程中摩擦因数的时间序列信号曲线并对其进行分形表征。结果显示:摩擦因数时间序列曲线具有明显的分形特征,可以根据摩擦过程中摩擦因数时间序列信号的分形维数来判断磨合过程的复杂程度;摩擦副在油润滑时表面粗糙度越大则磨合过程的平均摩擦因数越大,但摩擦因数曲线的分形维数越小,且磨合初期摩擦因数局部时间序列曲线的分形维数不规则波动越大;软质材料表面粗糙度的改变对摩擦因数及其局部分形维数的影响较大。     

磨合试验及磨合吸引子初探

为了表征磨合过程和磨合状态,掌握磨合过程中表面形貌的变化规律,在销-盘式试验机上对45#钢摩擦副进行了润滑条件下的磨合试验,用T1000型表面粗糙度测量仪和计算机数据采集系统测量磨合过程中的表面形貌和粗糙度值,并用分形方法对表面形貌进行分形表征和分形参数计算。研究表明:随着磨合过程的进行,摩擦副表面的粗糙度和分形参数逐渐变化,当达到磨合状态时,2个表面具有互适匹配的稳态参数值。因而从非线性科学原理出发,将磨合过程当作摩擦学系统的自组织过程,提出磨合吸引子的概念,并进行了初步的探讨。     

小波系数表征机械加工表面分形特征的计算方法

针对表征机械加工表面轮廓形貌分形特性,提出应用小波变换系数计算分形维数的算法。基于Majumdar-Bhushan分形函数构造典型曲线,采用工程常用的三种小波基函数,通过小波分解提取小波系数,并将在不同分解尺度和阶数下计算出的分形维数进行对比分析和验证,选择出计算分形维数精度较高的小波基函数和分解尺度。用该方法对车削和铣削加工的结合面实验试件表面形貌的分形维数进行计算,评价了表面形貌的分形特征。     

表面磨损的动态分形模型研究

由于表面形貌的分形维数Ｄ和尺度系数Ｇ会随着零件表面的磨损发生变化,故应用切比雪夫多项式来表征磨损表面分形维数Ｄ的动态变化规律,分析尺度系数Ｇ随零件表面磨损的变化趋势,并提出一组磨损率动态预测分形模型。仿真试验表明,磨损率动态预测曲线与同条件实验结果表致,且更精细。     

齿轮全寿命过程轮齿形貌变化的试验研究

针对于齿轮全寿命过程中轮齿形貌变化的问题,用8个齿轮模拟磨损试验来模拟齿轮全寿命过程,然后用Taylor CL100形貌仪得到正常齿轮在模拟试验中形成的三维形貌,并计算它们的分形维数和三维粗糙度,最后对形貌参数进行分析得出齿轮全寿命过程中形貌的变化情况.结果表明:齿轮全寿命过程,齿轮轮齿表面三维粗糙度呈现比较明显的增长趋势;齿轮轮齿分形维数从正常磨损到轻微磨损过程增加比较明显,但从中度磨损到严重磨损增加不明显.     

基于分形理论的磨合磨损预测模型

把分形几何用于粗糙表面的表征,用具有尺度独立性的分形参数研究了磨合过程中表面形貌的变化规律。基于经典接触力学的基本结论和Ｒｏｗｅ的修正粘着磨损理论,建立了磨合磨损的分形预测模型;用此模型分析了表面形貌分形参数对磨损率的影响,并通过销一盘试验验证了本模型的正确性。     

基于不同冲击频率条件下的套管磨损表面分形特征及磨损机制研究

选取TP140套管在自行研制的套管磨损试验机上进行磨损试验,利用表面形貌仪测量在不同冲击频率条件下的套管表面磨损形貌,选用结构函数法考察磨损形貌的分形特征,使用拟合误差法确定分形曲线的无标度区间并计算分形维数,利用扫描电子显微镜分析其磨损机制。结果表明:在不同冲击频率条件下的套管表面形貌存在明显的分形特征,但分形维数会随频率的不同而有所变化。从光学图像和扫描电镜图像可以看出磨损机制主要有粘着磨损和犁沟。     

苜蓿草粉对金属材料磨损表面的分形维数计算

基于分形理论和扫描电镜分析,采用差分计数盒法(DBC)计算了苜蓿草粉对金属材料磨损表面的三维分形维数。结果表明:基于DBC法和磨损表面SEM照片计算所得的分形维数,可以表征苜蓿草粉对金属材料磨损表面的形貌特征;相同加工条件下的金属加工表面具有相近的分形维数,但不能通过分形维数区分材料;苜蓿草粉磨损后的磨损表面分形维数与磨损体积损失有着密切的关系,体积磨损量越大,分形维数也越大。     

基于分形理论的球头铣削表面形貌研究

表面形貌作为表面完整性的重要组成部分,直接影响零件的耐磨性、配合稳定性以及疲劳特性。基于W-M分形模型对二维工程表面进行仿真,分析了分形维数D和特征尺度系数G对表面轮廓的影响,证明了分形维数表征表面形貌的可行性。通过在不同走刀路径下多轴球头铣削AISI H13钢试验,并运用MATLAB编程得到不同加工表面形貌的分形维数。分析结果表明:分形维数对复杂形状中的微观组织结构有很强的分辨能力;当径向切深与每齿进给量的比值为1 m 2时,铣削表面形貌的微观组织结构最简单。本研究结果可为三维表面形貌的表征方法提供参考价值。     

基于小波变换的三维粗糙表面分形维数计算方法

基于小波变换提出一种三维粗糙表面分形维数的计算方法。该方法采用小波变换对三维表面形貌数据进行多尺度分解,通过对不同分解尺度下小波系数平方的均值进行函数拟合,继而得到粗糙表面的三维分形维数。为验证提出的方法的正确性与准确性,采用已知参数构建三维分形表面,对不同方法下分形维数的计算结果进行对比分析。对比结果显示,相比原始盒维数法与差分盒维数法,采用提出的小波变换法计算得到的分形维数误差更小。特别是在小波变换过程中选用sym4小波基函数时,分形维数的计算误差最小,误差能够控制在2%以内。将提出的方法应用于磨削表面分形维数的计算,得到了不同粗糙度下磨削表面的分形维数,进而验证了该方法的实用性。提出的方法能够更加精确地计算三维粗糙表面的分形维数,为粗糙表面分形接触模型的构建提供了参数基础。     

Fractal characteristics and microstructure evolution of magnetron sputtering Cu thin films

How to describe surface morphology characteristic and microstructure evolution are the hottest researches of current thin film researches.But in traditional characterization of surface morphology,the roughness parameters are scale related.And the microstructure evolution of thin film during post-treatment is usually not considered in detail.To give a better understanding of the roughness of thin films topography,fractal method is carried out.In addition,microstructure evolution of thin films is analyzed based on the crystallography and energy theory.Cu thin films are deposited on Si(100) substrates by magnetron sputtering,and then annealed at different temperatures.Surface topography is characterized by atomic force microscope(AFM).Triangular prism surface area(TPSA) algorithm is used to calculate the fractal dimension of the AFM images.Apparent scale effect exists between the surface morphology roughness and film thickness.Relationship between the fractal dimension and roughness is analyzed by linear regression method and linear relationship exists between fractal dimension and surface roughness root mean square(RMS).Fractal dimension can be characterized as a scale independence parameter to represent the complex degree and roughness level of surface.With the increase of annealing temperature,surface roughness and fractal dimension decrease.But when the annealing temperature exceeds the recrystallization temperature,due to the agglomeration and coalescence of Cu grain,surface roughness and fractal dimension increase.Scale effect and changing regularity of grain growth and shape evolution for different film thickness under different annealing temperatures are analyzed.Based on minimum total free energy,regularity of grain growth and changing is proposed.The proposed research has some theory significance and applicative value of Cu interconnect process and development of MEMS.     

Elastoplastic contact mechanics model of rough surface based on fractal theory

Because the result of the MB fractal model contradicts with the classical contact mechanics, a revised elastoplastic contact model of a single asperity is developed based on fractal theory. The critical areas of a single asperity are scale dependent, with an increase in the contact load and contact area, a transition from elastic, elastoplastic to full plastic deformation takes place in this order. In considering the size distribution function, analytic expression between the total contact load and the real contact area on the contact surface is obtained. The elastic, elastoplastic and full plastic contact load are obtained by the critical elastic contact area of the biggest asperity and maximun contact area of a single asperity. The results show that a rough surface is firstly in elastic deformation. As the load increases, elastoplastic or full plastic deformation takes place. For constant characteristic length scale G, the slope of load-area relation is proportional to fractal dimension D. For constant fractal dimension D, the slope of load-area relation is inversely proportional to G. For constant D and G, the slope of load-area relation is inversely proportional to property of the material ϕ, namely with the same load, the material of rough surface is softer, and the total contact area is larger. The contact mechanics model provides a foundation for study of the friction, wear and seal performance of rough surfaces.     

计及摩擦的摆线轮齿与针齿的分形接触模型

为综合体现摆线轮齿与针齿的宏观特征和微观特征对接触特性的影响,应用Weierstrass-Mandelbrot函数和矢量函数构建了摆线轮齿与针齿的表面形貌模型,应用MATLAB绘制了各向同性的粗糙针齿以及单个摆线轮齿的二维截面图,提出了摆线轮齿与针齿的接触比例系数,该接触比例系数始终小于1,且随啮合点的变化而变化,针齿与摆线轮齿的内凹部分接触时的接触比例系数远大于针齿与摆线轮齿外凸部分接触时的值。计及摩擦因素的影响,构建了单对摆线轮齿与针齿的分形接触模型,分析了摩擦因子、结合面的微观特征和宏观特征对接触特性的影响。研究结果表明,相同载荷下,接触面积随摩擦因子的增大而增大,随结合面粗糙度的增大先增大后减小,随针齿半径的增大而减小,随中心距的增大而减小,随针轮中心圆半径的增大而增大,随针轮齿数的增加而减小。     

圆柱滚子表面特性的分形研究

基于分形理论的非线性特征,对轴承中的圆柱滚子加工表面轮廓进行理论研究,探讨用分形维数来表征其加工表面的粗糙程度。通过理论计算及实验验证,得出了圆柱滚子外表面的分维表征。结果表明:表面粗糙度与分形维数是属于一种非线性关系;功率谱线平均斜率是加工表面粗糙度的有效表征;分形维数能客观地表征机械加工表面粗糙度,且大小与取样参数无关。     

Fe3Al基复合材料摩擦表面的分形特性研究

利用结构函数法对Fe3A l基复合材料干滑动摩擦表面的分形特性进行了研究,并计算其分形维数。结果表明Fe3A l基复合材料摩擦表面具有明显的分形特征,分形维数和摩擦因数以及磨损率之间有着密切相关性,随着分形维数的增大,摩擦因数和磨损率都逐渐减小,磨损率尤为明显,说明材料摩擦表面形貌特征对其摩擦学性能具有显著影响。     

多尺度粗糙度对波导传输性能的影响

文中针对波导内壁存在的粗糙度对波导传输性能的影响问题进行了建模、仿真研究。首先,基于改进的二维分形函数,建立了波导内壁粗糙度的多尺度数学模型。基于此模型,以数值积分和有限元法为数学工具,分别推导出了考虑粗糙度影响的波导内壁局部和整体的功率损耗公式。作为对理论结果的验证,进行了一个针对矩形波导的仿真实验。分别将二维分形函数、多尺度粗糙度模型和三角波作为粗糙度的模拟函数,将得到的功率损耗结果与用经典文献中提供的计算方法得到的结果进行对比,结果表明本文所建立的多尺度粗糙度模型的结果在高频时更接近经典文献数据。随后,又对多尺度粗糙度模型的两个主要参数对功率损耗的影响程度进行了对比,结果显示粗糙度表面密度对功率损耗的影响较小,而分维数的影响较大。随着表面粗糙度均方根值的增大,功率损耗的比值也逐渐增加,最大值可达光滑表面功率损耗的1.8倍。     

干气密封滑动密封端面高频微幅摩擦振动研究

为揭示干气密封端面间摩擦振动规律,通过对密封端面在干摩擦状态下的微观形貌与受力进行分析,基于分形理论构建包含分形参数的密封端面法向位移激励,以及干气密封在干摩擦状态下的两自由度摩擦振动系统模型,并对摩擦振动系统模型的影响因素进行数值分析.研究结果表明:法向振动位移和速度随着分形维数与转速的增大先增大后减小;密封环面分形...     

基于分形理论的柱塞泵/马达配流副润滑特性研究

为研究配流盘表面形貌对配流副润滑特性的影响,采用分形理论模拟配流盘表面形貌,建立轴向柱塞泵配流副润滑模型,使用有限差分法对模型进行求解,探讨分形参数对表面轮廓的影响,并进一步分析分形参数和配流副工况参数对油膜承载力、摩擦力、摩擦转矩和摩擦因数的影响。结果表明：分形维数越大,表面轮廓形貌复杂度越高,且粗糙表面高度随尺度系数减小而降低;随着缸体倾角和转速的增大,油膜承载力提升,但摩擦力、摩擦转矩和摩擦因数也随之升高;配流副润滑性能与分形维数呈现正相关的关系,选取较大的分形维数有利于提升配流副的润滑性能;尺度系数越小其摩擦力越小,但承载力也减小,因此需选择适中的尺度系数。