基于小波的零件表面微观形貌多尺度重构

采用激光测量仪对车削机加工零件表面进行测量,获得零件亚纳米级的微观形貌数据,利用小波分析分时分频精细表达以及多分辨率分析的特点,建立粗糙表面多尺度重构模型,对基于真实测量数据的微观表面进行宏微观重构,并提出在不同尺度上提取粗糙表面的微凸体以精简数据的方法,从而实现在MATLAB和Pro/E中的微观表面建模仿真。提取的低频成分为零件表面二维和三维评定提供了基准,不同尺度上微观粗糙表面的重构为在不同精密等级上分析机加工工艺对零件表面粗糙度的影响提供了方法,Pro/E中重构的表面为有限元分析零件宏微观几何形貌与摩擦、润滑和密封的关联机制提供了几何模型。     

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。     

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.     

机械结合面接触模型有限元分析

借助LI-3型表面形貌测量仪对磨削加工的铸铁试件进行了三维形貌测量,基于实测表面数据逆向建模得到三维有限元模型,并导入ANSYS软件中建立该粗糙表面的接触模型。通过对不同采样长度下的机械结合面接触模型进行有限元仿真分析,研究了其接触面积、最大变形量和接触压力随载荷的变化关系。结果表明,采样长度越小,越能体现表面形貌精细结构,微凸体分布更加均匀。相同粗糙度、不同采样长度下表面接触特性的探索对于从微观方向解释宏观现象,揭示结合面作用机理的本质,具有良好的参考价值。     

基于ANSYS的真实粗糙表面微观接触分析

基于材料弹塑性变形理论,采用激光测量仪测取零件表面微观形貌数据,使用小波对测量数据进行处理,提取不同层次的粗糙度,利用有限元分析软件ANSYS及其APDL工具,建立真实粗糙表面不同尺度上的微观接触参数化有限元模型,仿真分析了粗糙表面接触的弹塑性变形全过程。提出了基于ANSYS重启动分析、网格重划的多载荷步求解算法,以解决有限元微观接触分析过程中的网格畸变问题。通过通用后处理模块/POST1,提取了有限元分析结果文件中的真实接触面积、接触载荷、接触微凸体个数等接触参数,分析了多种不同粗糙度表面相互接触时接触参数的关系,以及不同尺度的粗糙面对接触参数的影响,为研究结合面的接触机理和连接性能提供了方法。     

基于多孔介质理论的双粗糙面金属静密封泄漏模型

粗糙面微观几何形貌是影响静密封泄漏特性的重要因素。应用粗糙面的三维点云数据,将粗糙面进行离散化处理,进而将由双粗糙面构成的密封界面等效为三维逾渗栅格模型,基于多孔介质理论计算得到密封界面的孔隙率和渗透率,从而建立了一种双粗糙密封界面的泄漏率模型。搭建金属静密封泄漏率测量试验台,通过对环面金属静密封泄漏特性的试验研究,验证了该泄漏模型的有效性。利用该模型分析了表面纹理方向、粗糙面波动频率与材料特性对金属静密封泄漏特性的影响。结果表明：各向异性粗糙面构成的密封界面具有较好的密封性能;粗糙面波动频率越大,密封性能越好;低硬度材料易于实现有效密封;在重载情况下,粗糙面微观几何形貌对孔隙率与泄漏率的影响不显著。     

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。     

粗糙齿面啮合弹塑性接触分析

为研究粗糙齿面啮合过程中弹塑性接触行为,从粗糙曲面弹性接触算法出发,结合ZMC弹塑性接触模型,得到适于齿轮传动啮合计算的粗糙曲面弹塑性接触算法。同时,为减小粗糙齿面接触建模过程中采样间隔影响,利用微观形貌拟合方法作几何预处理,计算得到相对稳定的微凸体分布参数。针对实测粗糙齿面形貌,基于所提方法开展齿轮啮合过程弹塑性接触计算,对比分析不同条件下粗糙齿面弹性与弹塑性模型接触参数变化规律。研究表明:不考虑塑性变形将使得粗糙齿面接触行为预测产生偏差,且这种偏差与塑性指数、粗糙度有关。     

管路连接件粗糙表面接触力学与密封性能分析

为研究真实管道连接件在拧紧力矩作用下的接触状态和密封机制,从而有效控制管路密封性能,以真实管路连接件为研究对象,对粗糙接触表面真实接触形貌数据进行实测,通过逆向建模工程建立粗糙接触表面有限元模型,利用有限元仿真分析方法得出真实接触面积比与平均接触应力的关系。结果表明,在开始施加位移载荷时同时发生弹性与塑性变形,随着载荷的增加,发生塑性变形区域越来越大,形成真实接触区域部分也逐渐增加。基于逾渗理论对接触界面进行栅格化模型模拟,通过寻径算法得出接触界面达到密封时所需要的最小真实接触面积比,结合仿真结果得到管路连接件接触表面达到密封时所需要的最小接触应力值。研究结果为管路连接件密封性能仿真分析提供重要密封评判指标,也进一步通过仿真分析得到管接头密封条件下的最小拧紧力矩提供参考。     

零件表面混合维建模理论、方法及其在产品装配质量预测中的应用

正零件表面的质量是产品性能分析与预测中不可或缺的重要因素,其几何形貌特征极大地影响了产品和零件的各种性能指标。在产品的设计和制造阶段,根据实际零件表面的局部测量数据评定其表面特征参数,模拟出该零件的表面形貌,体现真实零件的表面微观结构的特点和表面几何结构参数,分析并获得零件表面形貌对产品工作效能的影响规律,对提高零部件装配质量和产品性能具有重要的理论价值和现实意义。本文在对零件表面形貌建模及应用相关技术研究现状进行总结和分析的     

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。     

基于原位观测的固体表面真实接触面积计算

为获得固体粗糙表面实际接触面积和表面形貌,设计一个能够原位光学观测和分析固体粗糙接触界面名义接触区域和实际接触区域的测量装置。采用该测量装置获得不同直径金属小球与玻璃平板在不同载荷作用下的接触图像,采用Canny算子等图像处理方法对金属小球与玻璃平板相互接触产生的牛顿环进行边缘提取和灰度阈值分析,获得接触界面名义接触面积和实际接触面积随小球直径和载荷的变化规律。实验结果表明:粗糙接触界面的名义接触面积随载荷的增加而增加;实际接触面积与名义接触面积之比随载荷和小球直径的增加而非线性增加;在塑性变形阶段,直径较小的金属小球名义接触面积随载荷变化较为敏感,而在弹性变形阶段,则直径较大小球变化剧烈,与Hertz接触理论相符合。该实验装置还可进行接触界面的摩擦学特性分析,如表面形貌、边界膜厚度和磨粒构造等。     

基于分形几何的表面微观形貌模拟及粘着弹性接触计算研究

基于Ausloos和Berman提出的推广的W-M函数对具有分形特征的粗糙表面进行仿真模拟,分析了函数中与尺度无关的特征参数对表面微观形貌的物理意义。同时,基于Yan和Maugis的理论研究,用模拟的分形表面建立了考虑表面效应的弹性接触模型,通过数值方法对整个过程进行迭代求解,得到了两接触面在不同的接触条件下各个接触斑点上的载荷分布和真实接触面积以及接触斑点的数量和尺寸。由于真实接触面积的尺寸敏感地反应表面微观几何形貌的变化,因此该方法为研究粘着机制和减小微尺度粘着效应提供了思路。     

结合小波分析和分水岭分割法的微观表面形貌分析方法

为了实现微观表面粗糙峰特征参数的获取,提出了一种结合小波分析和分水岭分割法的微观表面形貌分析方法。该方法用小波分析从原始表面形貌数据中提取反映表面粗糙度的数据,然后用分水岭分割法对粗糙度数据进行粗糙峰分割,再通过曲面拟合获得表征每个粗糙峰的参数,最后通过统计得到整个粗糙表面的特征参数。将该方法用于分析玻璃微球的微观表面粗糙峰特征参数,获得了与传统方法接近的结果。     

车削真实粗糙表面的弹塑性接触有限元分析

目前表面模型主要以统计数学方法和分形方法居多,不能真实的反应表面特征.通过Wyko NT1100形貌测量仪获得车削表面的形貌数据,利用最小二乘法对Bad点和噪声点进行拟合插值处理,然后通过逆向建模得到真实粗糙表面模型,运用有限元方法,研究了弹性阶段和弹塑性阶段无量纲化接触面积和位移随无量纲化载荷的变化关系.结果表明:利用测量数据格式与CATIA V5之间联系,可以建立真实粗糙表面的模型;在弹性接触阶段,无量纲化接触面积和位移与无量纲化载荷之间近似成线性关系;而在弹塑性接触阶段,当弹塑性切向模量Et较大时,无量纲化接触面积和位移与无量纲化载荷之间才近似成线性关系.当载荷一定时,Et越小,接触面积和位移越大,对于一定接触面积和位移的载荷也越大.     

机床导轨表面接触模型的有限元分析

为寻求机床导轨结合面不同粗糙信息下的动态特性,分形粗糙表面数值模型和实测粗糙表面二者的相关性,需对各种相关参数下的粗糙表面进行接触分析。运用有限元分析软件ANSYS,针对粗糙表面三维模型,分析不同参数表面的接触行为,以期寻找出不同粗糙信息接触形态特征参数之间的关系,并证明分形数值模拟能真实表征工程粗糙表面。     

螺栓联接界面表面分形及接触研究

针对由螺栓联接的两个粗糙表面微观特征和实际接触情况进行了研究。采用分形函数模拟生成了粗糙面轮廓曲线,发现分形参数对传统粗糙度参数有影响;探讨了分形维数D与机械加工面传统粗糙度参数Ra的关系;利用表面分形模拟数据和实验测量数据建立了有限元接触模型。运用Abaqus软件对模型计算表明:随着接触载荷(螺栓预紧力)的增加,接触面积也相应增加;在相同接触载荷(螺栓预紧力)下,表面越光滑,接触面积越大;当接触面积增加到某一值后,改变不明显,且接触面积小于名义接触面积。这一结论可以很好的解释超声波能量在螺栓联接界面的传递机理,即预紧力-真实接触面积-能量三者的关系,为超声波能量法在螺栓松动监测中的应用提供理论基础。     

传热界面真实接触面积计算与分析

在热流通过两相互接触材料尤其是金属材料的界面时，真实接触面积是界面传热的一个主要影响因素。当承受大应力的两接触体之间具有相对滑动或相对滑动趋势时，粗糙表面在压力和粘着力及剪切力的作用下接触粗糙峰发生弹性、弹一塑性或完全塑性变形，真实接触面积与压力之间的关系随变形机制而发生变化，在力的作用下材料的变形机制由表面微观几何形貌和力学性质决定。计算表明，单个粗糙峰接触面积与载荷的关系受变形机制的影响，粘着力对接触面积的影响可以忽略，表面相对滑动将增加真实接触面积。     

考虑表面粗糙度的面齿轮齿面接触应力分析

根据齿轮啮合原理,得出了面齿轮的齿面方程,求得面齿轮齿面曲率。结合赫兹接触理论,推导了点接触面齿轮传动接触点的接触应力及应力沿齿面的分布规律,从齿根到齿顶,齿面接触应力先增大后减小,在靠近齿面中点处达到最大值。由粗糙表面接触理论,分析了面齿轮齿面微观弹塑性变形时的接触面积,并得到粗糙齿面接触时面齿轮齿面接触应力及其分布。对比分析了几种不同粗糙度条件下面齿轮齿面接触应力的变化规律,结果表明:齿面接触应力随表面粗糙度的增大而增大,与齿根处相比,齿顶接触应力受表面粗糙度影响更大。文中的分析可为面齿轮磨损及润滑机理的研究提供依据。