变双曲圆弧齿线圆柱齿轮接触面切向刚度分形模型研究

基于Hertz接触理论和分形理论,提出利用两椭圆体的表面接触系数对微凸体分布函数进行修正,引入微凸体的临界弹塑性变形接触面积,推导出变双曲圆弧齿线圆柱齿轮接触面切向刚度的分形模型。通过数值仿真论证了表面接触系数的合理性,并分析出主要参数(法向载荷、分形维数、粗糙度幅值、切向载荷、材料特性参数)对切向刚度的影响。结果表明,法向载荷与切向刚度成正比关系,但当分形维数的取值范围不同时,两者的变化规律有着较大的差别。当分形维数增大时,切向刚度先增大后减小,在分形维数为1.85时达到最大值。切向刚度随着粗糙度幅值和切向载荷的增大而减小,随着材料特性参数的增大而增大。该模型的建立为研究变双曲圆弧齿线圆柱齿轮接触面的切向刚度提供了理论依据。     

变位圆弧齿线圆柱齿轮建模及接触强度分析

在分析理想圆弧齿线圆柱齿轮啮合原理及齿面方程的基础上,推导出变位后圆弧齿线圆柱齿轮的齿面方程;基于UG实现对变位圆弧齿线圆柱齿轮副的建模;借助AWE对不同变位系数下的齿轮接触应力进行比较分析,得出接触应力随变位系数的变化曲线。分析结果表明,随着变位系数的增大,接触应力随之减小,当变位系数超过0.2后接触应力减小趋势基本保持不变,该结果也为变位圆弧齿线圆柱齿轮的设计提供了理论依据。     

变双曲圆弧齿线圆柱齿轮动态接触特性分析

为研究变双曲圆弧齿线圆柱齿轮动态接触特性,利用基于旋转刀盘加工原理得到的齿面方程,运用MATLAB与UG建立精确的齿轮三维模型,运用ANSYS LS-DYNA分析得到该齿轮齿面在啮合过程中的动态接触应力。通过研究不同齿线半径变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的动态接触应力,得到齿线半径对该齿轮动态啮合特性的影响规律。通过研究不同压力角变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的动态接触应力,得到压力角对该齿轮动态啮合特性的影响规律。通过研究不同载荷下该齿轮的动态接触应力,得到载荷对该齿轮动态啮合特性的影响规律。分析结果为变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的设计及工程应用提供参考。     

基于分形理论的滑动摩擦表面接触力学模型

依据分形理论,考虑微凸体变形特征及摩擦作用的影响建立滑动摩擦表面接触力学模型。采用一个三次多项式来表达弹塑性变形微凸体的接触压力与接触面积的关系,从而满足在变形状态转变临界点处的微凸体接触面积与接触压力转化皆是连续和光滑的条件。推导出滑动摩擦表面临界弹性变形微接触面积、临界塑性变形微接触面积、量纲一真实接触面积的数学表达式。理论计算结果表明,表面形貌一定时,真实接触面积随着载荷的增大而增大;载荷一定时,真实接触面积随着特征尺度系数的增大而减小,随着分形维数的增大先增大后减小;当表面较粗糙时,摩擦因数对真实接触面积的影响很小;随着表面光滑程度的增大,摩擦因数对真实接触面积的影响增大,真实接触面积随着摩擦因数的增大而增大,特别是当摩擦因数较大时,真实接触面积增大的幅度也较大。接触力学模型的建立,为研究滑动摩擦表面间的摩擦磨损性能提供了依据。     

基于分形理论的变齿厚齿轮接触应力分析

为了更准确地反应变齿厚齿轮齿面真实接触应力,构建了变齿厚齿轮的齿面接触系数,并对其合理性进行了验证。基于分形接触理论和Hertz接触理论建立了综合考虑齿轮齿面粗糙形貌、接触点弹性变形、材料特性等参数的变齿厚齿轮接触模型,计算变齿厚齿轮的接触强度,并与有限元计算结果进行比较,验证了方法的有效性。通过分形理论得出齿轮啮合时载荷与面积的关系,并对4个基本参数进行仿真,分析分形接触模型的效果。结果表明,通过数值模拟和分析实际接触面积与载荷的关系图,验证了分形接触模型的准确性。基于有限元理论、Hertz接触理论和分形理论,对变齿厚齿轮的齿面接触强度进行了比较和分析,验证了分形接触模型计算变齿厚齿轮接触应力的正确性,该模型的建立为变齿厚齿轮的设计与强度校核提供了一定的理论依据。     

圆弧齿线圆柱齿轮成型原理及最大接触应力研究

通过对圆弧齿线圆柱齿轮的啮合特点进行研究,分析了圆弧齿线圆柱齿轮的成型原理和齿形特点,以及加工过程中的运动关系,比较了使用不同的刀具加工出的齿形的区别。运用Hertz接触理论的原理,结合圆弧齿线齿轮的接触线的实际形状,对其齿面最大接触应力进行了研究,并结合直齿圆柱齿轮的接触应力公式,推导出了圆弧齿线圆柱齿轮的齿面最大接触应力的计算公式。通过计算并结合有限元分析软件ANSYS对圆弧齿线圆柱齿轮的最大齿面接触应力计算公式进行校核,最终证明了该推导的正确性。     

粗糙表面微凸体对液黏传动的影响

为研究液黏传动过程中粗糙表面的承载特性,将分形理论引入到两粗糙表面摩擦过程之中,分析传动过程中混合摩擦和边界摩擦两阶段的微凸体承载过程,考虑微凸体弹塑性变形,对M-B模型进行修正,建立修正的微凸体承载模型。建立基于修正M-B模型的微凸体承载模型。通过数值仿真得到有效面积系数、分形参数对液黏调速离合器传动过程的影响规律;对修正的微凸体承载模型的计算结果与M-B模型的计算结果进行对比分析。结果表明:微凸体接触载荷和传递转矩随着面积比的增大而增大,当有效面积系数与尺度系数增大时,接触载荷与传递转矩均有所增大;分形维数为1.5时,微凸体接触载荷与传递转矩最小且随面积比的变化最为缓慢;在整个接触区域内,弹性变形区域的面积、接触载荷以及传递转矩最大,其次是弹塑性变形区域,塑性变形区域最小;考虑弹塑性变形时,微凸体接触载荷与传递转矩均有所下降;修正M-B模型和M-B模型间的修正系数范围在25%以内,修正系数随着有效面积系数、尺度系数的增大而增大,随着分形维数的增大而减小。     

圆弧齿线圆柱齿轮传动副建模及接触强度分析

在分析圆弧齿线圆柱齿轮加工原理以及理想齿轮副啮合理论的基础上,得到了理想圆弧齿线圆柱齿轮的几何形状参数;基于三维建模软件UG NX8.0,完成其虚拟样机的制造;借助有限元分析方法研究了变齿线半径、变模数及变齿宽对圆弧齿线圆柱齿轮接触应力的影响机理。分析结果表明圆弧齿线圆柱齿轮的齿线半径、模数及齿宽与其接触强度有着密切关系且当其他相关参数一定且1.1b≤RT≤2b时,圆弧齿线圆柱齿轮的接触应力值最小。研究结论为圆弧齿线圆柱齿轮的设计及工程应用提供了相应的理论依据。     

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.     

机械密封端面黏着磨损分形模型

在机械密封端面接触分形模型基础上,依据Archard磨损理论,通过引入分形磨损系数及求解塑性和弹塑性变形微凸体的体积,建立了机械密封端面黏着磨损分形模型。得到了机械密封软质环端面磨损率与端面轮廓分形参数、真实接触面积、材料性能参数以及工作参数之间的关系式。对B104a-70型机械密封软质环端面的磨损率进行了计算和分析。结果表明,端面磨损率随着端面比压、转速及端面特征尺度系数的增大而增大;随着端面分形维数的增大先迅速减小后逐渐增大,即存在一个使磨损率最小的最优分形维数。     

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。     

依据各向异性分形几何理论的固定结合部法向接触力学模型

基于各向异性分形几何理论,考虑微凸体变形特点、表面微凸体承受法向载荷的连续性和光滑性原理,以及区分微凸体分别处于弹性、塑性变形时的一个微凸体实际微接触面积,建立固定结合部法向接触力学模型。采用二变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟各向异性三维分形轮廓表面。推导出划分弹塑性区域的临界弹性变形微接触截面积、结合部量纲一法向载荷、结合部量纲一法向接触刚度的数学表达式。数值仿真结果表明：当表面形貌的分形维数、分形粗糙度一定时,真实接触面积随着结合部法向载荷的增大而增大;结合部法向接触刚度随着真实接触面积、结合部法向载荷、相关因子或材料特性参数的增大而变大;当分形维数由1变大时,结合部法向接触刚度随着分形维数的变大而增大;当分形维数增加到趋近于2时,结合部法向接触刚度有时却会随着分形维数的增加而降低。结合部法向接触力学模型的构建,有助于分析固定接触表面间的真实接触情况。     

考虑摩擦的圆柱面切向接触刚度分形模型研究*

为了更准确地计算圆柱面切向接触刚度,本文考虑摩擦因素的影响,在圆柱面分形接触模型的基础上,引入存在摩擦时弹塑性变形的临界面积公式,并利用切向接触刚度的基本理论,推导考虑摩擦的圆柱面切向接触刚度分形模型,并通过Matlab对上述模型进行仿真,研究不同参数(摩擦因数、分形维数、粗糙度幅值 、材料的特性参数、曲率半径)以及接触的形式对切向接触刚度的影响。仿真结果表明：切向接触刚度与法向载荷成正比关系,但随分形维数取值范围的变化分别呈现指数与线性规律。摩擦因数与切向接触刚度成反比关系;材料的特性参数对切向刚度的影响,不仅与分形维数有关,还与自身取值关联;分形维数,粗糙度幅值与切向刚度的关系,受分形维数和材料特性参数的影响呈现正比或反比趋势。另外,内接触比外接触时的切向刚度大;随着曲率半径的变大,切向刚度增加。该研究为后续开展高副结合面动力学分析提供理论 基础。     

考虑摩擦因素影响的结合面切向接触阻尼分形预估模型及其仿真

为准确计入结合面表面微观形貌对结合面的影响,提出结合面的“固-隙-固”接触模型。基于该接触模型和接触分形理论以及赫兹理论,建立考虑摩擦因素影响的结合面切向接触阻尼的分形预估模型,并通过数值仿真研究揭示有关参数对结合面切向接触阻尼的影响,为后续结合面动力学建模和动力学特性分析做准备。仿真分析结果表明：结合面的切向接触阻尼随结合面实际接触面积的增大而增大;随结合面法向载荷的增大而减小;随结合面间摩擦因数的增大而趋于恒定;实际接触面积影响cte*-μ曲线转折点(即临界摩擦因数μc)的位置,随着实际接触面积的增大,临界摩擦因数μc亦同时增大;不同的分形维数取值,尤其是分形维数取值在临界值(D=1.55)的两侧时,结合面间的接触行为存在较大差异。     

基于分形理论的磨粒磨损模型

本文在M-B接触分形模型的基础上,根据塑变磨损理论导出了基于分形参数的磨粒磨损模型,建立了磨损率与分形维数之间的关系,综合反映了材料的磨损规律和表面特性。根据该模型可知,当分形维数在某一范围时,磨损率随分形维数的减小而迅速增大;而在另一范围时,磨损率随分形维数的增大而增大;当分形维数等于1.5时,磨损率达到最小值。当分形维数一定时,磨损率随尺度系数、磨损概率常数的增大而增大,随材料性能参数的增大而减小;当其余各影响参数保持一定值时,磨损率随接触面积的增大而增大。     

Dry Sliding Contact Between Rough Surfaces at the Atomistic Scale

Although, a lot is known about the factors contributing to friction, a complete physical understanding of the origins of friction is still lacking. At the macroscale several laws have long since described the relation between load (Amontons, Coulomb), apparent and real area of contact (Bowden and Tabor), and frictional forces. But it is not yet completely understood if these laws of friction extend all the way down to the atomistic level. Some current research suggests that a linear dependence of friction on the real contact area is observed at the atomistic level, but only for specific cases (indentors and rigid substrates). Because continuum models are not applicable at the atomic scale, other modeling techniques (such as molecular dynamics simulations) are necessary to elucidate the physics of friction at the small scale. We use molecular dynamics simulations to model the friction of two rough deformable surfaces, while changing the surface roughness, the sliding speed, and the applied normal load. We find that friction increases with roughness. Also all sliding cases show considerable surface flattening, reducing the friction close to zero after repetitive sliding. This questions the current view of (static) roughness at the atomistic scale, and possibly indicates that the macroscopic laws of friction break down several orders of magnitude before reaching the atomic scale.     

基于分形理论的椭圆弧型指尖密封磨损特性分析

指尖密封是一种具有广泛应用前景的新型密封技术,其中磨损特性问题属于该技术领域的研究重点。基于分形理论,考虑指尖密封表面与转子表面间的接触关系,将指尖密封与转子的接触系数引入接触点的面积分布表达式,建立了指尖密封磨损分形模型,并构建了用于表征磨损能量转化和消耗过程的指尖密封能量密度数学模型;提出了椭圆弧型指尖密封的概念与结构,并与圆弧型、渐开线型指尖密封进行性能对比。计算结果表明接触系数始终小于且逼近于1,两个曲面处处接触,相互包容,接触系数有效;磨损分形模型与经典实验数据对比验证,变化趋势及数量级一致,磨损分形模型可行;存在一个可使体积磨损率最小、能量密度最大的分形维数(D=1.3);随着特征尺寸不断减小,体积磨损率逐渐减小,能量密度逐渐增大;椭圆弧型指尖密封相较于圆弧型、渐开线型指尖密封更适用于高径向跳动量、较高压差和较高转速的密封部位。