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。     

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。     

零件真实粗糙表面构建及微观接触性能分析

目前对于微观粗糙表面模型的构建主要采用统计数学方法和分形方法,建模的前提基于大量假设和简化,不能真实反映表面形貌特征。因此提出了采用三维数字化测量与逆向工程相结合建立零件真实粗糙表面的方法,并分析微观接触性能。利用三维形貌测量仪测量得到真实粗糙表面形貌数据,并经过数据精简、去噪处理,采用逆向建模方法得到真实粗糙表面的三维实体模型;应用有限元分析技术,分析粗糙表面接触性能,包括结合面接触应力随载荷变化规律、不同加工方式零件界面真实接触面积变化规律,以及结合面受力-变形关系等。该方法有利于揭示零件微观界面接触机理,为进一步研究宏微观接触性能提供了方法参考。     

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。     

分形理论及其在机械结合面中的应用

简述了分形理论的产生经过,具体介绍了分形理论的几何概念.在指出机械加工表面具有统计自相似的结构的同时,介绍了用分形理论描述机械结合面微观形貌的优越性,进一步描述了近年来分形理论在机械加工表面的微观形貌特征的定量化描述中的应用现状.对传统描述方法和分形理论描述的精度及简易程度进行比较,结果表明运用分形理论来描述机械结合面的表面微观形貌特征有其独特的优越性,可以避免传统描述方法的多参数性,同时也解除了采样长度与仪器分辨率的影响.介绍了国内外的研究结果中分形理论在接触模型中的运用状况.认为分形理论最终会从二维发展到三维,能更精确地描述微观形貌,从而进一步建立精确的接触模型.     

线接触滚/滑状态下表面形貌的弹性变形研究

结合基于表面形貌频谱分析的预测方法和润滑理论对线接触弹流状态下表面形貌的弹性变形进行了研究。制造了4种表面形貌高度算术平均值S_a相同但结构不同的织构表面形貌,通过对表面形貌的频率分量进行降幅处理,并结合弹流润滑模型建立相应的算法,获得了不同载荷和转速工况下接触界面的表面形貌弹性变形结果。在此基础上,选用ISO 25178中的三维形貌高度参数S_a、功能参数V_(vv)和特征参数S_(ds)对弹性变形前后的表面形貌进行了表征和分析,并通过计算膜厚比对比了4种织构表面在考虑弹性变形前后的润滑特性。结果表明,弹流接触过程中表面形貌发生明显的弹性变形,且随着载荷和转速变化呈现不同的规律;不同结构的表面形貌弹性变形程度不同,弹性变形导致的表面形貌的变化对接触表面间润滑性能有明显影响。     

混合型RBM在结合面接触模型中的应用

为了预测不同加工方式下的表面形貌参数,提出一种基于混合型约束玻尔兹曼机(RBM)的表面形貌参数预测方法,针对RBM泛化能力较低、且固定的训练率不利于网络跳出极小点的问题,应用稀疏自动编码机实现预测数值的特征提取,设计混合型RBM神经网络预测出表面形貌参数值。在无监督训练中,利用一种动态学习率法则改进网络来提高特征向量映射的准确度,为了提高无监督学习阶段的训练速度,使用对比分散准则快速训练神经网络,通过混合型RBM训练模型任意输入加工参数即可获得结合面的表面形貌参数。为了将结合面参数直接应用于工程,基于表面形貌参数、采用分形理论推导了接触模型应用的实现过程,将结合面微观状态不均匀载荷下各节点的刚度、阻尼值植入有限元模型,最终通过与相同试件的实验值对比,验证了结合面实现方法的正确性,为数控机床结构优化与精度提高提供了基础。     

基于双盘试验的齿面时变摩擦特性研究

齿轮啮合过程中齿面时变摩擦特性对齿轮性能有重要的影响,为了研究不同形貌齿面的时变摩擦特性,利用双盘摩擦试验探讨了在线接触状态下表面形貌对摩擦因数的影响,并结合ISO 25178三维表面形貌表征参数进行了分析,然后利用试验结果研究了具有不同齿面特征的齿轮在啮合过程中摩擦因数的变化情况。研究表明,载荷、卷吸速度和滑滚比对接触面间摩擦特性的影响有着不同规律,表面形貌结构对接触面润滑拖动曲线的非线性上升区有一定影响;由于表面形貌的影响,双盘试验数据模拟的齿面摩擦特性与EHL数值模型计算结果有一定差异,并且在齿轮不同啮合区域表面形貌对于齿面摩擦因数曲线的影响程度不同,研究结果将为通过表面形貌设计改善齿面摩擦性能提供理论基础。     

球/平面接触表面形貌变化的试验研究

基于试验探究了球/平面接触过程中,正压力、润滑条件及原始表面形貌对试验后表面形貌的影响。试验中,采用不同原始表面,在不同压力、不同润滑条件下,完成了一系列球面与粗糙面的接触试验。试验前后分别使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对试样表面进行了测量,并用ISO25178定义的参数对三维表面形貌进行了表征。研究结果表明,正压力、润滑条件和工件的原始形貌对试验后的表面形貌具有显著的影响,并给出了具体压力、润滑条件及原始表面形貌对塑性变形后表面形貌的影响关系。     

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.     

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LS-DYNA的单颗磨粒切削加工有限元分析

通过分析珩齿加工的啮合特点、超声珩齿切削原理及运动特性,利用非线性有限元程序LS-DYNA,对齿轮表面的切削过程进行三维显式动态分析。模型采用单点积分Lagrange算法的三维显示实体单元Solid164,以Johnson-Cook本构模拟齿轮表面材料,以面—面侵蚀和自动接触定义接触表面,对切削机理进行研究分析,从而验证了切削速度对切屑形态有显著的影响。     

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。     

界面因素对机械结合面超声传播的影响

利用超声脉冲回波法可以测量机械结合面间的压力分布,但是其测量精度受界面接触条件的影响,如压力加载历史、表面粗糙度、接触介质等。根据超声在接触界面的传播机制,分析得到接触界面回波能量系数与界面接触压力之间的关系模型;搭建室内超声检测系统,加工不同粗糙度的接触表面,准备不同的润滑介质,对不同接触条件的试件进行压力加载试验,得到结合面回波能量系数随压力变化的曲线。结果表明：首次加载过程所得曲线明显区别于后几次加载,随循环次数的增加,所得曲线逐渐趋于重合;相同接触压力下,接触表面粗糙度越大,回波能量系数越大;相同接触压力下,接触介质的物质属性不同以及与不同粗糙度的表面相互作用时,回波能量系数有所不同。研究表明,载荷加载历史、接触表面形貌及接触介质都是影响超声在接触界面传播的主要因素,研究结果对结合面接触应力分布的准确测量具有参考价值。     

粗糙表面扭动微动磨损数值研究

基于三维W-M分形函数利用SolidWorks建立三维粗糙表面,同时利用Abaqus用户子程序Umeshmotion引入能量磨损准则,建立了三维球-粗糙面接触下的扭动微动数值模型,研究初始表面粗糙度对扭动微动摩擦磨损过程的影响。首先利用G-W模型的无量纲化接触面积解析解验证了粗糙面模型的合理性,同时通过与实验的磨损结果进行对比,进而验证了数值模型对扭动微动磨损预测的精确性和有效性。分析结果表明：表面粗糙度的改变对于扭动微动磨损有着显著的影响,其中磨损体积、摩擦耗散能以及磨损率都随着表面粗糙度的增加而增加,即在同等微动条件下会加剧表面磨损;摩擦激活能随着表面粗糙度的增加而减小,越粗糙的表面磨损激活的阙值越低,故减小初始表面粗糙度可有效降低扭动微动磨损。     

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。     

圆柱滚子轴承次表面裂纹区域应力分布规律研究

圆柱滚子轴承套圈滚道次表面裂纹将改变滚子表面与滚道之间的接触特性，从而影响轴承的工作特性。针对这一问题，研究了次表面裂纹的长度、宽度和倾斜度对裂纹区域应力分布的影响规律。首先，采用有限元方法，建立了轴承滚子与滚道等效接触的计算模型，并将有限元模型与赫兹接触理论的算例计算结果进行了对比，对有限元模型的正确性进行了验证；然后，基于圆柱滚子轴承次表面裂纹的形态特征，提出了含次表面裂纹的滚子与滚道接触有限元计算模型；最后，基于有限元模型，分析讨论了次表面裂纹的深度、宽度和倾斜角度对滚道次表面应力区分布范围的影响规律。研究结果表明：当次表面裂纹的宽度增大时，应力区的深度和宽度都迅速增大；当次表面裂纹的深度增大时，应力区的深度和宽度都迅速降低；当次表面裂纹的高度与宽度一定时，次表面裂纹的倾斜角越大，次表面应力区越小，次表面裂纹对轴承接触特性的影响也越小。     

考虑基体变形的混合润滑结合面接触特性

为研究混合润滑状态下粗糙表面基体变形对结合面接触特性的影响,建立了考虑基体变形的结合面接触刚度模型。首先,通过单微凸体-基体系统模型分别求解微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法获得微凸体真实变形量;其次,基于分形理论建立结合面固体接触刚度模型,通过固体接触刚度获得液体介质的接触刚度。根据仿真结果分析了基体变形、粗糙表面形貌以及润滑介质对结合面接触特性的影响规律。结果表明:当真实接触面积一定时,通过新模型计算的法向载荷小于忽略基体变形的模型;在接触前期,结合面的接触刚度主要由液体介质接触刚度主导,随着真实接触面积的增加,液体接触刚度占总刚度的比率越来越小,最后转变为固体的接触刚度主导结合面的接触刚度。该模型为研究混合润滑状态下结合面的接触特性提供了理论基础。     

点蚀坑三维形貌对齿轮齿面应力集中影响的研究

为了研究齿轮点蚀坑三维形貌对齿面应力集中的影响,利用有限元方法,分析了不同形貌的点蚀坑对轮齿应力集中系数的影响.然后以椭球点蚀坑为研究对象,通过改变椭球点蚀坑长、宽、深尺寸,分析了不同长宽比、深宽比变化对应力集中系数的影响,并建立了椭球点蚀坑应力集中系数随三维尺寸变化时的近似计算模型.根据某齿轮接触疲劳试验数据,对所建...     

齿面凹坑形貌对面齿轮啮合动力学性能影响的仿真分析

建立不同凹坑形貌面齿轮三维实体模型及凹坑形貌面齿轮传动系统仿真模型,通过多体动力学的接触碰撞算法,分析了在一定工况下,不同凹坑形貌面齿轮传动啮合力及输出转速的变化规律。分析结果表明,圆形凹坑对传动系统啮合力的影响最小,传动误差值最低,故其传动平稳性最优,且实验结论与仿真结论基本一致,验证了仿真的正确性,同时为今后进行微形貌面齿轮乏油润滑建模提供了合理的依据。