结合面静态接触参数的统计模型研究

基于对粗糙表面形貌统计分析的基础上,综合考虑微凸体的完全弹性、弹-塑性和完全塑性三种变形机制,建立了结合面的接触面积、接触载荷及接触刚度的统计模型。该模型揭示了结合面接触参数与材料性能参数及粗糙表面形貌参数之间复杂的非线性关系。在不同的微凸体高度随机分布及塑性指数条件下,对接触参数进行预估和对比研究。结果表明,修正的指数分布对高斯分布有着较好的近似,而简单的指数分布与高斯分布之间的误差较大,且相差1至3个数量级;接触表面间距减小时,接触参数值均呈现增大的趋势;塑性指数增大时,接触载荷和接触刚度都随之增大,而接触面积的变化较小。     

基于分形的三维粗糙表面弹塑性接触力学模型与试验验证

基于分形几何理论,利用双变量的Weierstrass-Mandelbrot函数模拟三维分形粗糙表面,建立了三维分形粗糙表面弹塑性接触模型。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。确定了粗糙表面上各等级微凸体的面积分布密度函数,获得了总接触载荷和真实接触面积之间的关系式。计算结果表明:单个微凸体的临界接触面积与其尺寸相关,随着微凸体等级的增大,微凸体的高度和峰顶曲率半径减小。微凸体的变形顺序为弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形,与经典的赫兹模型保持一致。粗糙表面的力学性能仅与最小等级及后续的6个等级微凸体相关,其余微凸体基本上对整个粗糙表面的力学性能影响很小。最后对粗糙表面的接触力学性能进行了试验测试,验证了该模型的合理性与正确性。     

干气密封摩擦界面弹塑性接触刚度模型EI北大核心CSCD

针对干气密封摩擦界面复杂多变的弹塑性变形阶段,基于微凸体在变形全过程满足连续性、光滑性和单调性的特点,通过余弦函数来探究接触面变形量与接触特性之间的关系,建立了具有光滑连续特性的微凸体弹塑性接触模型,然后基于统计学理论,建立摩擦界面整体接触模型,最后将所建立的模型与GW模型、CEB模型、ZMC模型、KE模型和Li模型五种经典模型进行对比分析,并通过理论分析与数值求解得到干气密封摩擦界面的力学特性及影响因素。结果表明:该模型实现了微凸体在变形全阶段的连续性、光滑性和单调性;接触载荷、接触面积和接触刚度与无量纲接触变形量成正相关;与无量纲表面平均接触距离成负相关,且无量纲表面平均接触距离越小,其粗糙表面发生塑性变形的比重就越大;为使干气密封动环和静环更加可靠平稳地运行,应保证动环和静环的接触面尽量光滑平整,使其无量纲表面平均接触距离控制在2.5以下。     

修正G-W模型研究结合面微观接触特性EI北大核心CSCD

G-W模型在模拟结合面微观接触时发现,当微凸体接触点数0相似文献   

含硬涂层结构的表面微观接触新模型

为研究含有硬涂层的粗糙表面中微凸体和基体变形对表面微观接触特性的影响规律,利用Hertz接触理论分别求出微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法确定微凸体变形量,建立关于微凸体接触变形量的刚度模型,通过并联关系耦合接触刚度,建立新的接触表面微观接触模型。为验证新模型对含有硬涂层的粗糙表面接触特性描述的正确性,建立了不同大小和不同材料的单微凸体有限元模型,通过与Hertz模型、有限元分析结果比较,发现当基体材料和微凸体材料不同时,微凸体/基体系统的应力分布会不均匀,微凸体表面的接触力比材料相同时的接触力小,最大应力比材料相同时的最大应力大;在变形量很小的时候,Hertz模型解和新模型解都很好地与有限元分析结果相吻合,随着变形量的变大,有限元分析解和新模型解开始同时偏离Hertz模型解,但新模型解一直趋近于有限元分析解。     

考虑基体变形的结合面连续光滑接触刚度模型

结合面的接触刚度直接影响着机床整机的静、动态力学性能和精度保持性水平。在弹性、弹塑性以及完全塑性接触变形过程中,延续微凸体接触状态变量具有连续且光滑特性的思想,利用Hermite多项式插值函数,建立单个微凸体法向接触刚度模型。考虑到基体变形的影响,在微凸体的3个变形阶段分别引入了基体的弹性接触变形,通过统计学方法,建立了一种考虑基体变形且连续光滑的结合面刚度模型。对比分析了GW、ZMC、KE、Brake模型与该文模型之间的差异,并揭示了表面粗糙度对接触刚度的影响规律。研究表明:考虑基体变形时所获得的接触刚度和接触载荷比忽略基体变形时的要小,且随着表面粗糙度的减小,基体变形的影响快速增加;接触载荷与表面粗糙度是影响结合面接触刚度的2个主要因素,随着载荷的增大或表面粗糙度的减小,接触刚度随之递增。     

基于粗糙表面分形表征新方法的结合面法向接触刚度模型

如何有效预测结合面的接触刚度,是机械结构设计研究的一个重要课题。结合面接触刚度模型主要分为基于统计学特征参数的和基于分形参数的两类。前者依赖于粗糙表面形貌的测量尺度,后者与测量尺度无关。然而,多数研究者在利用分形理论进行建模时,以对应于微凸体接触面积a的尺寸l=a~(1/2)作为微凸体基底尺寸描述微凸体初始轮廓,给出了错误的微凸体变形机制和结合面接触刚度模型。提出了一种基于D,G和最大微凸体高度的粗糙表面轮廓分形表征新方法,探讨了微凸体接触变形机制,建立了与测量尺度无关的粗糙表面接触力学分形模型,揭示了接触刚度的变化规律。研究表明:接触载荷可用表达式F_c=F(E,D,G,h,a_L)描述;当结合面上的接触压力小于其屈服强度时,无论微凸体发生何种变形,结合面均因存在有弹性变形的接触点而具有一定的法向接触刚度。     

基于多尺度下塑性指数模型的结合面接触刚度计算方法EI北大核心CSCD

螺栓连接结合面的接触特性是影响机械系统动静态特性的关键。当结合面处于振动疲劳状态时,会导致阻尼增大和共振频率减小,因此建立精确的栓接结合面接触模型对研究整个机床的动态特性有着十分重要的意义。结合Greenwood和Williamson给出的塑性指数表达式、统计学的粗糙度参数和分形参数,建立了与微凸体频率序数相关的塑性指数模型,从而根据塑性指数得到微凸体弹性-弹塑性-塑性变形的临界频率序数,并基于赫兹接触理论,通过对不同频率区间内微凸体的积分得到整个结合面的接触载荷和接触刚度。最后,通过有限元仿真与试验相结合共同验证了理论模型的正确性,证明该理论模型具有较强的工程应用价值。     

修正G-W模型研究结合面微观接触特性

G-W模型在模拟结合面微观接触时发现,当微凸体接触点数0n1时,两表面会产生接触这一不合理现象,提出修正G-W模型研究低载荷下机械结合面的微观接触特性。通过测量表面微观形貌特征和功率谱函数,获得结合面的微观形貌参数,研究表面粗糙度与接触力、微凸体接触数以及真实接触面积间的关系,分析结果表明:不同表面粗糙度下中心线间距与微凸体接触个数和接触力呈对数关系,间距越大,微凸体接触数目越少,接触力越小;在相同间距下,表面粗糙度越大,微凸体接触数目越少,接触力越大;不同表面粗糙度下微凸体接触个数与接触面积和接触力之间呈线性关系,微凸体的接触数目越多,表面接触面积和接触力越大;相同接触数目下,表面粗糙度越大,真实接触面积和接触力也越大;当接触变形量较小时,修正的G-W模型与Hertz接触模型吻合较好,接触变形与接触力之间呈对数递增,而与真实接触面积间近似呈线性递增关系。     

基于分形理论的两粗糙表面接触的黏滑摩擦模型EI北大核心CSCD

两粗糙表面的接触本质上是大量微凸体的接触,具有复杂的力学行为,连接界面的力学建模是重要的科学问题。从微观角度出发,对单个微凸体进行接触分析,并考虑了微凸体相互作用造成的基底面的下降,根据分形理论积分,建立了整个接触面的法向接触模型。利用该模型,可确定在给定法向预紧载荷下微接触截面积的概率密度函数;根据Mindlin模型、Masing准则和分形理论,建立了两粗糙表面接触的切向载荷与切向位移的关系,并研究了不同参数对系统能量耗散的影响。数值仿真结果表明,能量耗散随分形维数D增大而增大,随分形粗糙度参数G及法向预紧力增大而降低。     

微动结合部的一次加载过程

根据赫兹弹性理论和分形几何理论,按照表面微凸体变形特点、表面微凸体承担法向接触载荷的光滑性与连续性条件,以及严格区分弹性变形与完全塑性变形,构建微动结合部的一种法向接触修正加载分形模型。给出Weierstrass-Mandelbrot分形函数不可微的条件。采取带随机相位Ausloos-Berman分形函数仿真各向异性非稳态三维随机表面形貌。提出表面微凸体法向弹性接触载荷与表面微凸体法向变形量之间的加载幂律关系形式,建立微动结合部两个微凸体之间互相影响的法向接触刚度的求导函数而非偏导函数计算方法。数字模拟结果显示:对于恒定的载荷,随着表面轮廓分形维数的增大,实际接触面积先增大后减小;实际接触面积随着法向接触载荷的增加而增加,但随着分形粗糙度的增加而减小;微动结合部法向接触刚度随着实际接触面积、法向接触载荷、相关因子和材料性能参数的增加而增加,但随着分形粗糙度的增加而减小;当表面轮廓分形维数较小时,微动结合部法向接触刚度随着表面轮廓分形维数从1变大而增加;当表面轮廓分形维数较大时,微动结合部法向接触刚度有时随着表面轮廓分形维数的增加逼近到2而减小。微动结合部法向接触修正加载分形模型的建立,可进一步分析微动两接触表面之间的卸载模型。     

混合润滑状态下结合面的法向接触刚度研究

针对润滑条件下机械结合面的接触特性受油膜影响的问题,基于结合面接触刚度由油膜接触刚度和固体表面接触刚度组成的思想,建立混合润滑状态下结合面的法向接触刚度模型。采用三维的Weierstrass-Mandelbrot函数获得具有分形特征的粗糙表面,并基于统计学方法建立干摩擦条件下结合面的法向接触刚度模型,考虑了微凸体的完全弹性变形、弹塑性变形以及完全塑性变形过程。在此基础上,求解了油膜的等效厚度并建立油膜的接触刚度模型。结果表明:结合面的法向接触刚度随法向载荷的增加而增加,且混合润滑状态下结合面的接触刚度大于干摩擦条件下结合面的接触刚度;该模型避免了油膜厚度测量难的问题,为机械结构的润滑状态预测提供了帮助。     

结合面切向接触刚度的概率统计模型

该文考虑结合面上微凸体接触为椭圆形接触, 运用弹性力学空间半无限体受载荷变形理论, 并根据椭圆形接触面上压力分布的Hertz理论, 推导出椭圆形接触面的长、短半轴计算式和单个微凸体接触时的切向接触刚度表达式. 建立了结合面上微凸体椭圆形接触面的长、短半轴呈二维正态分布、高度呈正态分布情况下的宏观切向接触刚度模型, 得到了相应的宏观切向接触刚度表达式. 通过数值计算给出了切向接触刚度随结合面的法向载荷、切向载荷、椭圆微凸体的离心率、微凸体分布的相关系数、微凸体测量高度和微凸体分布的标准方差等各影响因素的变化情况, 增大法向载荷可以提高结合面的切向接触刚度, 而切向载荷的增大会导致切向接触刚度的 减小.     

临界接触参数连续的粗糙表面法向接触刚度弹塑性分形模型

基于MB接触分形理论及其修正模型,在弹性和塑性接触变形机制基础上,考虑弹塑性过渡变形机制,建立了临界接触参数连续条件下的计及微接触面积分布域扩展因子影响的粗糙表面法向接触刚度弹塑性分形模型;数值仿真结果表明:弹塑性过渡变形机制对法向接触刚度影响明显,且考虑弹塑性过渡变形机制下的法向接触刚度大于仅考虑弹性和塑性接触机制下的对应法向接触刚度;无量纲法向接触刚度随着无量纲法向接触载荷的增大而增大且因分形维数取值不同而呈凸弧性的非线性关系(分形维数D=1.1~1.4)或近似线性关系(分形维数D=1.4~1.9),随着分形维数的增大而增大(分形维数D=1.1~1.5)及分形维数的增大而减小(分形维数D=1.5~1.9),随着分形粗糙度的增大而减小,随着塑性指数的增大而增大。     

考虑表面张力的机械结合面特性建模研究

表面张力是物质表面层分子间存在的力,它对机械结合面的接触特性有着重要的影响。为此,采用Nayak随机过程模型表征各向同性表面上微凸体的高度与曲率分布,建立考虑表面张力的单个微凸体接触模型,通过高斯-切比雪夫求积公式求解验证了模型的正确性;基于统计学理论将单个微凸体的计算模型扩展到整个粗糙表面上,建立了新的结合面接触模型,揭示了表面张力对结合面接触载荷、真实接触面积以及接触刚度的影响规律。结果表明:当两表面间平均距离相同时,与传统不考虑表面张力的模型相比,新模型具有较大的接触载荷和接触刚度,较小的真实接触面积;当接触载荷增大时,真实接触面积增大的速率随着表面张力的增大而减小;接触刚度随着接触载荷或真实接触面积的增大而增大,且表面张力越大,递增速率越快。     

结合面静摩擦系数的统计模型

基于粗糙表面形貌的统计参数,综合考虑微凸体的完全弹性、弹-塑性和完全塑性三种变形机制,建立了结合面静摩擦系数的统计模型。该模型反映了静摩擦系数是由接触材料性能参数、表面形貌统计参数以及法向载荷共同决定的。通过仿真研究了微凸体高度的随机分布、塑性指数以及法向载荷等因素对静摩擦系数的影响规律。结果表明,修正的指数分布相比简单的指数分布对高斯分布有着较好的近似,且预测值近似等于高斯分布预测结果的均值;静摩擦系数随着塑性指数的增大而减小且变化趋缓;法向载荷增大时,静摩擦系数呈现减小的趋势,但在双对数坐标系下最大静摩擦力仍与法向载荷呈线性正比的关系。     

干气密封动静环摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型

基于分形理论,根据重新建立的微凸体接触模型,并考虑微凸体弹性变形以及热应力变形,建立了干气密封两摩擦界面热弹性法向接触刚度计算模型,并对其影响因素进行了数值分析。研究结果表明:热法向接触刚度、弹性法向接触刚度均随无量纲真实接触面积、分形维数增大而增大,而随特征尺寸增大而减小,其中分形维数、特征尺寸对弹性法向接触刚度影响较为显著;摩擦因数对热法向接触刚度和弹性法向接触刚度的影响相反,摩擦因数增大,热法向接触刚度变大,而弹性法向接触刚度变小;热法向接触刚度随着转速以线性方式增大。摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型的建立与分析,将为研究考虑热效应的干气密封摩擦振动奠定一定基础。     

用轮廓离散法研究粗糙表面间的接触导热

通过ＳＴＡＲ－１型表面轮廓仪对粗糙表面实际形貌的测定,分析得到了实际表面微凸体的高度分布和曲率分布,发现微凸体的高度分布并非高斯,而曲率分布则呈随机状态,运用轮廓离散的广泛和显微硬度的概念,得到了各高度下微凸体的数量和实际形变,建立了粗糙表面接触热导的离散化模型,该模型消降了常规模型中有关微凸体高度分布和形变类型的人为假设。模型与实验数据吻合程度良好,其预测精度比Ｇ－Ｗ模型和Ｙ模型高。     

真空深冷环境下不锈钢与玻璃钢接触导热的影响因素研究

搭建了基于真空深冷环境下一维稳态热流的固体界面接触导热研究的试验装置,制作了3对不锈钢—玻璃钢测试试样,每对试样具有不同的表面粗糙度。在真空深冷环境下对不锈钢—玻璃钢界面接触导热进行了试验研究,分析讨论了界面接触压力和接触表面粗糙度等对接触导热的影响。结果表明,在相同接触压力条件下,表面粗糙度越大导致试样的实际接触面积越小,接触导热系数越小;表面粗糙度相同时接触压力越大,接触界面上发生接触的微凸体变形量增大,接触面积增大接触导热系数也越大。     

复合材料螺栓连接松弛的弹-黏塑性分析方法

预紧力松弛是影响复合材料螺栓连接结构耐久性的主要原因之一。本文重点讨论导致预紧力松弛的材料蠕变与粗糙表面接触蠕变的相互影响。内容包括建立了以弹-黏塑性理论为基础的复合材料蠕变本构模型,并结合考虑粗糙表面的分形接触理论,将其推广到与时间相关的弹-黏塑性接触问题。数值结果与实验结果对比表明,考虑粗糙表面接触效应时,计算误差从2.87%~4.37%降至0.04%~0.5%,预测准确性有显著提高。表面分形参数D和G的讨论结果表明,接触表面越粗糙,预紧力越容易松弛。这对工程上通过控制表面形貌参数来改善表面接触性质具有指导意义。