三维分形粗糙表面的修正接触模型

基于分形理论,建立了粗糙表面的接触行为预估模型,采用了包含弹性、弹塑性和塑性全状态的微凸体接触模型并将其扩展到粗糙表面接触问题,实现了对传统二维分形粗糙表面接触模型的修正,构建了三维分形接触模型。通过计算结果与实验数据的对比可知:修正后的三维分形接触模型(修正Y-K模型)的计算结果与实验测试值比较接近,而Y-K模型的计算结果则与实验值相差甚远,尤其是在载荷较大时。修正Y-K模型的结果虽然与实验值有一定差距,但相较Y-K模型已有了相当的改善,为分形接触计算提供了更为准确的理论方法。     

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。     

过盈配合单向分形界面微观接触面积研究

通过对模拟压缩机叶轮和轴过盈配合的试件表面轮廓进行分析,发现切削加工的粗糙配合表面具有单向粗糙度特征,同时垂直加工纹理方向的表面轮廓具有明显分形特性。基于M-B分形接触的修正模型,建立了具有单向粗糙度分形特征表面的理论接触模型,推导出接触面积与法向载荷的函数关系式。结合真实粗糙表面,建立了具有分形特性的单向粗糙度实体模型,利用有限元分析软件对实体模型进行了仿真分析,验证了接触面积与法向载荷函数关系的正确性。     

微系统粗糙表面的多峰黏着弹性接触分析

在微系统中,粗糙表面间的黏着力是影响微尺度对象能否成功装配的主要因素。为研究微尺度对象粗糙表面的接触机理,将Maugius理论和分子作用的Kim物理接触理论相结合,建立了微尺度对象的多峰黏着弹性接触模型,应用三维分形几何进行黏着力的求解,并对Kim物理接触黏附半径做近似计算,且将新建模型与不考虑分子作用力的Morrow模型进行比较。分析结果表明:微凸体两粗糙表面的物理接触距离越小,对黏着影响越大;分形维数增加,微凸体物理接触的黏着作用显著增加;随着分形粗糙度减小,Kim物理接触的微凸体数目明显增多,黏着力显著增加。     

基于分形理论的磨合磨损预测模型

把分形几何用于粗糙表面的表征,用具有尺度独立性的分形参数研究了磨合过程中表面形貌的变化规律。基于经典接触力学的基本结论和Ｒｏｗｅ的修正粘着磨损理论,建立了磨合磨损的分形预测模型;用此模型分析了表面形貌分形参数对磨损率的影响,并通过销一盘试验验证了本模型的正确性。     

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。     

机械密封环端面各向异性分形接触分析

在 M-B 分形接触模型的基础上,建立机械密封环端面各向异性的数学模型。在考虑表面各向异性的情况下,分别利用弹性力学和分形接触模型相关原理求出端面接触载荷和弹塑性接触面积,分析表面纹理参数、端面接触载荷和接触面积三者之间的关系。结果表明：当施加一定的接触载荷时,随着表面纹理参数增大,真实接触面积增大,但增速逐渐变缓,弹塑性接触面积的比值在增大;在表面纹理参数不变时,随着真实接触面积的增加所需的接触载荷增大,但增加速逐渐变缓,弹塑性接触面积的比值随着接触载荷的增大而增大。在粗糙表面各向同性和各向异性两种情况下,接触载荷与接触面积的变化趋势是一致的,但考虑表面各向异性时,能更好地反映出真实粗糙表面各个参数之间的关系。     

粗糙表面接触模型的研究进展

实际工程中的接触表面都不是绝对光滑的,当两物体相互接触时,真实表面的接触实际上是微凸体间的接触.粗糙表面间的接触行为对摩擦、磨损、润滑、密封和传热等有着重要的影响,是摩擦学研究的主要课题之一.介绍了Hertz弹性接触模型、统计学接触模型和分形接触模型,对粗糙表面接触模型的研究现状和进展作了分析和评述.由Hertz模型只能求解一些几何形状比较规则的物体,应用范围非常有限;各种统计学模型都是经过简化的理想模型,这些简化究竟能导致多大误差目前还没有精确的分析;分形模型利用了包含全部表面粗糙度信息的分形参数D和G,其对粗糙表面接触性质的预测不受仪器分辨率和取样长度的影响,使预测具有惟一性或确定性.     

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。     

齿轮粗糙界面时变啮合刚度算法与特性分析

基于粗糙界面的分形接触模型,引入曲面接触系数来表征齿轮在啮合过程中曲率和基体变形对啮合界面微凸体分布函数的影响,提出了一种考虑齿轮啮合界面粗糙形貌的齿轮时变啮合刚度修正算法,获得了表面形貌参数、材料特性参数和输入转矩对齿轮时变啮合刚度特性的影响规律。结果表明,齿轮时变啮合刚度随着表面粗糙度的增大而减小,随着材料强度和输入转矩递增。     

基于接触分形理论的机械结合面法向接触刚度模型

为能够从理论上建立起具有尺度独立性的机械结合面法向接触刚度的理论模型,从而解决以往研究 荼存在的缺陷与不足,在一定的假设下,基于球体与平面的赫兹接触理论和接触分形理论,首次从理论上给出了具有尺度独立性的机械结合面法向接触刚度分形模型,并取得了与实验一致的数字仿真研究结果。     

分形粗糙表面的计算机模拟

借助MATLAB软件强大的数值计算功能、UG软件强大的几何建模功能以及ANSYS软件的网格划分功能,采用将三者结合的分析方法,对分形粗糙表面进行模拟,快速建立了具有分形特征粗糙表面的三维有限元模型。应用该方法,可有效地为具有分形特征的粗糙表面间接触的有限元分析提供依据。     

Fractal prediction model of thermal contact conductance of rough surfaces

The thermal contact conductance problem is an important issue in studying the heat transfer of engineering surfaces,which has been widely studied since last few decades,and for predicting which many theoretical models have been established.However,the models which have been existed are lack of objectivity due to that they are mostly studied based on the statistical methodology characterization for rough surfaces and simple partition for the deformation formats of contact asperity.In this paper,a fractal prediction model is developed for the thermal contact conductance between two rough surfaces based on the rough surface being described by three-dimensional Weierstrass and Mandelbrot fractal function and assuming that there are three kinds of asperity deformation modes:elastic,elastoplastic and fully plastic.Influences of contact load and contact area as well as fractal parameters and material properties on the thermal contact conductance are investigated by using the presented model.The investigation results show that the thermal contact conductance increases with the increasing of the contact load and contact area.The larger the fractal dimension,or the smaller the fractal roughness,the larger the thermal contact conductance is.The thermal contact conductance increases with decreasing the ratio of Young’s elastic modulus to the microhardness.The results obtained indicate that the proposed model can effectively predict the thermal contact conductance at the interface,which provide certain reference to the further study on the issue of heat transfer between contact surfaces.     

粗糙表面分形接触模型的研究进展

工程表面具有分形特征,利用分形参数对表面形貌进行表征不受仪器分辨率和取样长度的影响。2个粗糙表面之间的接触行为对摩擦、磨损、润滑、密封和传热等均有着重要的影响,因而一直是摩擦学研究的重要课题之一。基于表面的分形特性而建立的接触模型,可使表面接触的分析结果具有确定性和唯一性。介绍分形表面形貌的Weierstrass-Mandelbrot函数生成方法并给出利用MATLAB程序生成的分形曲线和曲面,分析和评述近二十年来分形接触模型中单个微凸体的接触行为、接触面积分布与真实接触面积、接触变形方式与接触载荷以及总的真实接触面积与接触载荷之间的关系等方面的研究情况,并简单列举分形接触模型在机械学科中的应用情况。指出结合分形理论对表面接触行为进行研究是接触理论发展的必然趋势,为摩擦学研究提供新的思路。     

Resolving the contradiction of asperities plastic to elastic mode transition in current contact models of fractal rough surfaces

The paper suggests a revision to the asperities plastic to elastic mode transition in the elastic–plastic contact model of fractal rough surfaces, offered by Majumdar and Bushan [A. Majumdar, B. Bushan (MB model) J. Tribol. 113 (1991) 1–11.]. According to the MB model, the contact mode of a single fractal asperity transfers from plastic to elastic when the load increases and the growing contact area exceeds a certain critical value, which is scale independent. This surprising result of the MB model is in contrast with classical contact mechanics where increasing contact area due to increased load is associated with a transition from elastic to plastic contact. The present study describes a revised elastic–plastic contact model of a single fractal asperity showing that, contrary to the MB model prediction, the critical contact area is scale dependent. The revised model also shows that a fractal asperity behaves as would be expected from classical contact mechanics namely, as the load and contact area increase a transition from elastic to plastic contact mode takes place in this order.