粗糙表面弹塑性加卸载多级接触模型

真实工程表面在微观尺度上都是粗糙的,它们之间的接触实际上是表面微凸体的接触,粗糙表面间的接触行为对接触部件的真实承载能力、摩擦磨损等性能都有重要影响,研究工程表面间的真实接触行为是摩擦学研究的主要内容之一。采用最小均方误差法得到表面轮廓抛物线拟合曲线,在最大限度近似原始表面轮廓的同时,该方法能够更好地适用于微凸体弹塑性接触加卸载模型。通过单个微凸体上的支承载荷将总体级别模型和微凸体级别模型相联系,建立粗糙表面多级接触加卸载模型。以柱面与平面接触为算例,将接触区域视为与圆柱母线平行的离散线条集合,得到微凸体法向变形量和粗糙表面真实接触面积,该模型可用于分析粗糙表面弹塑性加卸载的真实接触行为。     

基于CFD-EDEM耦合的轴承清洗装置设计与颗粒去除效果分析

针对6024深沟球轴承自动化装配生产过程中,在进行注脂前轴承表面及内部会存留灰尘颗粒,设计了一款4喷嘴对称式清洗装置,该装置由4个喷嘴组成,中间安装有十字通道连接4个喷嘴,入口位于十字通道中间,基于此结构采用流体力学的基本方程和JKR接触模型,建立了清洗射流的数学模型。分析了不同喷嘴间距和喷嘴个数对轴承颗粒去除的影响,并研究了不同颗粒直径下清洗装置去除颗粒的效果。结果表明:喷嘴间距为17mm其内外圈受力最均匀,该清洗装置能够有效的清除直径1mm及以下颗粒,对于直径2mm的颗粒在轴承的下表面仍存留一定量的颗粒。     

表面动态脱水仿生技术及其应用

应用于空中、陆上、海上及深海的一些重要装备关键构件表面的附着水严重削弱了其自清洁、防污抗锈蚀等特殊性能.利用基于仿生策略研发的表面快速脱水技术,可高效、实质性地剥离表面黏附水,具有重要的现实意义.总结了现阶段关于表面脱水的研究进展、科研趋势及应用局限性,从自然界中生物对润湿现象的优异控制行为与功能原理出发,概述了水的动、静态界面现象及其机理,重点阐述了三相接触线"去钉扎"(De-pinning)理论、接触时间等因素对表面水的动态剥离所起的决定作用.以黏附水在脱离表面时是否存在额外能量消耗,将脱水行为分为"被动脱水"和"主动脱水"两大类,归纳了表面的动态脱水行为及应用优劣势.概括了荷叶、鸟类羽毛等被动润湿控制行为与表面刚度、特殊宏观纹理、倾斜角度对表面脱水、固液接触时间的积极影响及应用研究.在此基础上,进一步总结翠鸟、蜂鸟、蚊虫、哺乳动物在其主观意识下的晃动、高速移动等主动脱水行为的功能原理,列举了采用动力装置驱动表面实现移动、振动脱水效果的仿生应用研究进展.最后,探讨并展望了应用移动、振动等仿生运动诱导,结合表面超疏水性、各向异性等优异特性协同的脱水策略,利用"仿生主动脱水"与"被动快速脱水"有机结合,实现表面水体实质性脱附的优缺点及其应用前景.     

机器人减速器传动粗糙表面接触参数研究

针对机器人减速器传动界面广泛存在的粗糙表面接触特性开展相关研究。以GW接触模型为基础,考虑粗糙峰接触过程中相互作用的影响,对它进行修正得到新的模型。采用修正模型计算粗糙表面接触载荷并推导出接触刚度,然后与原始GW接触模型的计算结果进行对比。在进一步的研究中,讨论了不同表面粗糙度与不同接触表面材料对接触载荷与接触刚度的影响。结果表明：粗糙表面接触参数不仅受粗糙峰相互作用的影响,还与粗糙度与接触表面材料有密切的联系。     

基于随机过程的三维粗糙表面接触刚度研究

目的 建立三维粗糙表面法向接触刚度的有限元模型,研究法向接触刚度对粗糙度、自相关系数、弹性模量、屈服极限等参数的敏感性。方法 首先基于随机过程理论,采用二维数字滤波技术,生成满足Gauss分布和指数自相关函数的粗糙表面,建立三维粗糙表面接触有限元模型。然后根据结合面静位移与结合面受力关系推导出静刚度表达式,得到两粗糙表面的法向接触刚度。根据中心复合试验设计方法选取的样本点和有限元计算结果,建立二阶响应面模型。最终定义了临界自相关系数,并研究了临界自相关系数与其他参数的关系。结果 有限元计算得到的法向接触刚度结果合理,与试验结果相比最大误差不超过12.34%。弹性变形、塑性变形及真实接触面积随载荷的增加逐渐增大。法向接触刚度与粗糙度呈现负相关趋势,粗糙度不变时法向接触刚度随自相关系数的增大先增大后减小;法向接触刚度与弹性模量呈负相关趋势,法向接触刚度与屈服强度呈正相关趋势,且粗糙度的改变对法向接触刚度影响最大。当压力为200 MPa时,粗糙度、自相关系数、弹性模量、屈服极限分别为0.8 μm、18.91、240 GPa、355 MPa,法向接触刚度达到最大值121.53 MPa/mm,优化后接触面的法向接触刚度提高247%,并给出了临界自相关系数选取公式。结论 所建立模型正确、准确,为粗糙表面法向接触刚度计算提供一种有效方法,可为航空发动机安装边结构设计提供理论指导。     

基于微观接触模型的支撑基座刚度分析

针对支撑基座的竖直刚度计算问题,围绕如何提高有限元计算准确性,提出一种等效刚度模型替代宏观结构模型的分析方式,基于有限元法进行微观粗糙表面仿真和分析,利用积分思想计算等效刚度。通过轮廓扫描仪获取真实工件表面的形貌数据,重构符合高斯分布的微观粗糙表面,使用ANSYS软件仿真计算接触刚度,结果与不同理论接触模型对比,验证了有限元微观接触表面刚度的合理性。将宏观结构模型有限元计算刚度与等效刚度模型计算刚度对比,结果表明接触面的塑性变形和曲面的基体变形对刚度影响最大,为后续支撑系统的结构优化提供依据。     

光滑圆柱与粗糙板的弹塑性接触的有限元分析

基于修正的两变量的W-M分形函数,建立光滑圆柱与粗糙板的弹塑性有限元接触模型,探究表面算术平均高度S_a对接触的影响。在恒定载荷下,对比光滑表面间接触模型的数据,结果表明:在小载荷条件下,粗糙接触模型发生了弹塑性变形;随着算术平均高度S_a的增加,光滑圆柱和粗糙板的最大Mises应力呈现出先增加后稳定的趋势,接触面积呈现出不稳定的变化趋势,接触不均的机率在增加。在光滑圆柱与粗糙板接触模型中,改变接触位置,由于粗糙、弧形曲面和弹塑性变形的共同作用,接触面积增加到接近两倍,最大Mises应力仍然很大。     

超疏水表面在金属防护中应用的研究进展

超疏水表面由于具有独特的微纳米粗糙结构和低表面能性质,能形成空气垫物理屏障层,减小材料表面与水或其他腐蚀介质之间的接触面积,因此被广泛应用于金属的腐蚀防护。首先简单介绍了超疏水表面的相关理论,主要包括Young氏方程、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。然后,归纳总结了三种制备超疏水表面的有效途径:在低表面能物质上构建微纳米级粗糙结构;先构建出具有微纳米级的粗糙结构,再对表面进行低表面能修饰;一步法完成低表面能修饰和微纳米级粗糙结构的构建。在此基础上,详细地综述了常见的超疏水表面(薄膜或涂层)在金属防护中的应用。进一步介绍了通过在超疏水体系中引入缓蚀剂的方式,构建具有主动防护功能的超疏水表面,并介绍了此种超疏水表面在金属防护中的应用。最后指出了目前的超疏水表面在制备工艺以及耐久性等方面存在的问题,并对其在金属防护领域的应用前景和发展方向作出了展望。     

砂型3D打印铺砂工艺参数匹配研究

砂型3D打印过程中铺砂工艺严重影响成形砂型的质量。砂粒的粒径处于微米量级，分子力对颗粒间的相互作用明显，经典的Hertz接触模型不能很好地描述添加了固化剂的湿砂颗粒间黏附作用，颗粒之间的黏附力在砂粒铺设过程中容易造成对已成形砂型的破坏，形成砂型缺陷。本文采用离散单元法中的JKR(Johnson-Kendall-Roberts)接触模型模拟预先混合固化剂的砂粒之间的黏性接触问题，通过设计砂粒铺设试验研究了固化剂添加量和铺砂速度对成形砂层致密度的影响规律，并与仿真结果进行对比，修正了JKR接触模型的表面能参数，得到精确的砂粒铺设过程的离散元模型。此外，借助砂粒铺设过程的离散元模型，研究了砂粒铺设过程中固化剂添加量、铺粉速度以及刮刀形状对已成形砂型作用力的影响规律。结果表明，砂粒中固化剂添加量越大，铺砂速度越快，铺砂过程中刮刀对已成形砂型的影响越大。此外，具有-30°倾角的刮刀在砂粒铺设过程中对已成形砂型的影响最小。仿真结果具有较强的工程应用价值，为砂型3D打印铺砂工艺提供了理论指导。     

基于三维真实表面形貌的网格尺寸对焊接温度场的影响

激光透射热塑性塑料焊接过程是一个非稳态不均匀温度场形成发展、机械力持续作用、应力应变场演变和塑料形成流动等方面相互耦合共同作用的复杂过程,简单化的理想接触表面的理论研究已不能满足生产实际的要求。本文在三维真实表面形貌研究分析的基础上,研究在不同网格大小对于焊接过程中温度场的影响。首先,利用表面粗糙度测量仪对聚碳酸酯(PC)试件的表面粗糙轮廓进行测量,并计算其分形维数;然后,根据W-M函数构建表面粗糙轮廓的数学模型,在所构建的数学模型的基础上进行实体建模;最后,利用Marc.Mentat对其进行激光焊接模拟。结果表明,在一定范围内对网格进行加密,可以更加真实、准确地反应激光透射焊接情况,改善焊接质量。     

格里森制摆线齿锥齿轮齿面失配分析与轮齿接触仿真

为了能够对格里森制摆线齿锥齿轮啮合性能进行综合评判,提出集齿面失配分析、齿面接触仿真和齿面加载接触仿真于一体的系统性评价方法。构建刀盘数学模型和刀倾法切齿加工数学模型,获得理论齿面。研究与大轮齿面完全共轭的小轮基准齿面及齿面Ease off拓扑计算方法。在此基础上,基于齿轮啮合数学模型,研究齿面接触分析解析计算方法,构建齿面加载接触分析有限元仿真流程。最后以一对格里森制摆线齿锥齿轮为例进行了齿面失配分析和轮齿接触仿真,算例仿真结果与格里森软件一致,验证了齿面接触仿真算法的正确性,同时也表明采用有限元方法进行齿面加载接触分析在啮合性能评价方面具有较大的直观性。     

基于JKR模型的湿式滚抛磨块离散元参数标定

目的确定湿式滚抛磨块在接触过程中各相关物理性能参数的取值。方法基于EDEM离散元仿真模拟,选取系统中"Hertz-Mindlin with JKR"接触模型,以休止角为评价指标,对湿式滚抛磨块离散元模拟的最优参数组合进行标定。首先运用Plackett-Burman试验选取对湿式滚抛磨块有显著影响的3个参数项(湿式滚抛磨块间的滚动摩擦系数、碰撞恢复系数和JKR表面能),然后用最陡爬坡试验确定出显著性参数的最优区间,最后通过响应曲面法(Box-Behnken)分别对休止角和相对误差与3个显著性参数的回归模型二次多项式进行方差分析,并寻找最优参数组合。结果得到了最优参数组合解:磨块间滚动摩擦系数为0.0597,碰撞恢复系数为0.7444,JKR表面能为0.1J/m2。运用最佳参数组合进行仿真分析,得到休止角的均值为27.17?,与实验的休止角相对误差为0.6%。结论使用该方法进行湿式滚抛磨块离散元物理性能参数的标定具有可行性,不仅可以为实现仿真模拟的参数确定提供依据,同时可为其他非规则形状散体的参数测定提供参考。     

一种具有自粘附性能的超疏水自清洁涂层制备方法

目的提高超疏水涂层的粘附性、表面强度及耐磨性,精简制备工艺,并解决制备中存在的不环保问题。方法将SPK胶水和疏水性二氧化硅纳米粒子作为原料,采用简单喷涂工艺制备了具有自粘附性能的超疏水涂层,通过水的接触角测量、粘附力测试、耐磨性测试、涂层自清洁效果测试,分别评价涂层的润湿性、粘附力、耐磨性、自清洁效果,并通过扫描电子显微镜对喷涂前后涂层的形貌及元素组成变化进行分析。结果制备的涂层接触角为150.5°。在电子万能试验机作用下,涂层粘附玻璃样片的最大拉伸剪切强度为1.45 MPa,粘附打磨光滑的45钢样片,最大拉伸剪切强度可达1.69 MPa,粘附性良好。受力涂层在砂纸上拖行120 cm后,表面润湿性仍为超疏水。覆盖有涂层的照片,表面光滑平整,不影响照片本身的清晰度,当混合污染物滴落在图片表面时难以浸润入,并沿着表面流走。结论制备的涂层具有超疏水特性。该涂层对基底具有强粘附性,且涂层粘附力与胶粘附力有关,如果使用粘附力更强的胶,涂层的粘附力可继续提升。涂层具有良好的耐磨性且超疏水效果稳定。由于涂层的超疏水特性,附着在其表面的混合污染物难以浸润入基底,可以很好地保护基底表面。     

基于ABAQUS的螺栓连接结合面仿真与研究

利用ABAQUS软件对螺栓连接结合面进行建模仿真和模态分析,分别对预紧力、连接单元和绑定等3种模型进行仿真分析,并建立螺栓连接试件模态实验进行实验研究。通过验证对比可知,每一种建模方式均能仿真得出螺栓连接试件各阶模态的振型和固有频率,均有各自的误差和模型特点,分别适用于不同的设备机构和环境。验证了各种建模方式对螺栓连接结合面仿真的准确合理性,为以后螺栓连接结合面尤其在数控刀架领域建模仿真方法的选择提供参考。     

花键冷滚压精密成形力学分析与数值模拟

分析了花键冷滚压成形过程,对冷滚压精密成形过程的单位平均压力、冷滚压接触面积和滚压力进行了分析与计算.在此基础上,建立了花键冷滚压过程的力学模型与数学模型,并对花键冷滚压成形过程进行了数值模拟.通过对理论分析、数值模拟和试验研究的对比分析,为花键冷滚压成形工艺的研究与应用提供了理论依据.     

Study on the system matching of ultrasonic vibration assisted grinding for hard and brittle materials processing

Ultrasonic vibration assisted grinding (UAG) is an effective processing method for hard and brittle materials. Compared with common grinding (CG), both of grinding force and workpiece surface quality is improved by UAG, but the principle of improvement is still unclear. In order to reveal the mechanism of grinding force reduction and grinding quality improvement in UAG, this paper presents a mathematical model for system matching in UAG of brittle materials. Assuming that brittle fracture is the primary mechanism of material removal in UAG of brittle materials, the system matching model is developed step by step. On the basis of this mathematical model, the mechanism of grinding force reduction and surface roughness forming are discussed. The advantage of UAG processing brittle materials is pointed out in theory. Using the model developed, influences of input variables on grinding force are predicted. These predicted influences are compared with those determined experimentally. This model can serve as a useful foundation for development of grinding force models in UAG of brittle materials and models to predict surface roughness in UAG.     

汽车同步器接合套倒角加工过程设计与仿真系统开发

通过对汽车同步器齿端倒角结构和加工原理的分析,抽出了与刀具参数、机床调整和加工精度相关联的要素.对于平面倒角首先建立了加工过程的几何模型,然后推导出数学模型,建立了倒角形状参数与机床调整参数之间的联系.对于曲面倒角,首先建立了刀具的几何和数学模型,然后建立了倒角加工过程的几何与数学模型,将两者相结合,研究了刀具几何参数设计的求解方法,并在此基础上开发了确定刀具调整参数的计算机仿真系统.     

Mathematical model and simulation of partial penetrated weld pool

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工程机械车辆液压底盘二次调节模拟加载试验台的动态特性研究

针对采用二次调节技术的工程机械车辆液压底盘模拟试验台,运用建模的方法,分别建立了直流调速电机、液压蓄能器、恒压变量泵马达(一次元件)、二次调节转矩系统和驱动系统的转速控制的各个子系统的数学模型。在此基础上,建立了二次调节模拟加载试验台整体数学模型,阐述了整套系统各个子系统彼此之间的复杂耦合关系。通过仿真分析和实验,验证了理论分析的正确性。     

Computer simulation of precision contact with account of microgeometrical and mechanical heterogeneity of surfaces

Computer model of 3D contact based on SPM research of contact surfaces is offered. The main idealizing model feature is linear character and additivity of material deformation on separate contact sites of 3D-images. The model takes into account multilevel topography of surfaces, map of elastic properties of materials, superficial forces effect and non-uniformity of intercontact gap. The map of elastic properties of materials was obtained from the SPM phase contrast images. It is shown, that heterogeneity of micromechanical properties of materials in the contact zone results in essential redistribution of contact spots, contact stresses and adhesive forces. Statistical peculiarities of contact formation depending on probability of mutual collisions of rough surface sites are considered, including during sliding. The efficiency of offered computer model to describe precision contact including multilevel one is considered using examples of interaction between worn TiN coating.