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。     

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。     

新的粗糙表面弹塑性接触模型

提出一种新型的粗糙表面弹塑性微观接触模型.该模型的建立基于接触力学理论和接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设.研究单个微凸体在载荷逐渐增加时的变形规律,并重点推出弹塑性变形区间的接触方程.在此基础上应用概率统计理论导出了粗糙表面的接触载荷、平均分离和实际接触面积之间的数学关系式.在不同的塑性指数和载荷条件下,该模型与GW弹性模型和CEB弹塑性模型就实际接触面积和法向距离的预测结果进行了对比.结果表明,在同样塑性指数和载荷条件下比GW模型预测的实际接触面积大但法向距离小,且两者的差距随塑性指数和载荷的增加而增大.因此该模型的预测结果更加符合人们的试验观察和直觉,能够更加科学和合理地描述两个粗糙表面的微观和宏观接触状态.     

过盈配合接触界面的研究

通过W-M函数建立具有分形特征的等效粗糙表面与刚性平面的接触模型,模拟压缩机叶轮与轴过盈配合下界面的接触。将接触模型导入到有限元软件Ansys中,分析接触模型接触面积、接触压力、滑移面积、粘着面积与变载荷的关系和表面路径上的应力与变形。结果表明,接触时只有个别较高的微凸体发生接触,微凸体肩部区域的应力较大,微凸体中心位置变形量最大,接触界面在一定的法向载荷下接触面积减小,粘着面积增大,配合件发生了宏观的变形。     

考虑摩擦切向力的弹塑性粗糙表面接触模型

基于接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设,提出一种综合考虑弹塑性变形以及摩擦切向力等因素的新型粗糙表面接触模型。通过分析不同塑性指数以及载荷条件下该模型与ZMC模型以及GW模型预测。结果发现:在低塑性指数、小法向接触载荷情况下,该模型预测的真实接触面积相比ZMC模型偏小,甚至比GW模型预测的真实接触面积偏小,但是随着法向接触载荷的增加,该模型预测的真实接触面积逐渐增大,并超过ZMC模型以及GW模型预测结果;在高塑性指数下,该模型预测的真实接触面积即使在小法向接触载荷情况下也相比ZMC模型以及GW模型预测的真实接触面积大,且随着载荷的增加,真实面积之间的差距也逐渐增大;随着塑性指数的增加,该模型预测的真实面积超过GW模型以及ZMC模型预测值的临界载荷逐渐减小。     

基于微凸体接触理论的内燃机滑动轴承热弹性流体润滑研究

基于GREENWOOD和TRIPP微凸体接触理论,计入温度、弹性变形等影响因素,建立内燃机主轴承的数学模型和实体模型,计算研究其润滑性能与表面粗糙度之间的关系。结果表明,计入表面粗糙度后,由于微凸体接触力相对较小,油膜压力略有增加,油膜温度变化不大,摩擦功没有显著的增加;粗糙表面增大粗糙接触压力,造成轴颈不对中倾斜程度加剧;随着表面粗糙度的增加,油膜压力降低,厚度增加,峰值粗糙接触压力增大。     

机械结合面接触刚度建模新方法

建立精确、有效的结合面接触刚度模型是进一步开展机床整机动力学建模与分析的基础。提出了一种新的弹性接触刚度模型,该模型考虑基体变形的同时,对GREENWOOD和WILLIAMSON提出的粗糙表面微观接触模型(GW模型)进行了修正。为分析基体对接触变形的影响,首先建立含有基体的单个微凸体接触模型,并基于HERTZ接触理论,获得结合面的接触参数;然后,通过引入三角分布函数和解决GW模型在模拟微观接触行为中存在的问题,建立了新的弹性接触刚度模型,并揭示了分布函数、基体变形以及表面粗糙度对结合面接触特性的影响规律。研究表明:三角分布函数能有效地表征表面微凸体高度分布;基体变形的影响是由基体和微凸体相互作用引起,随着法向载荷的增大而明显;表面粗糙度是影响接触刚度的主要因素,相同载荷下,表面粗糙度越大,接触变形越大,接触刚度越小。     

工作参数对接触式机械密封端面接触特性的影响

为研究和掌握接触式机械密封端面接触特性,通过模拟计算分析了工作参数对其特性的影响。结果表明,在密封端面间真实接触面积中,弹性变形微凸体接触面积所占比例最大,塑性变形微凸体接触面积所占比例最小;随着弹簧比压的增大,弹性接触面积比近似呈线性增大,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比近似呈线性减小;随着密封介质压力的增大,弹性接触面积比增大,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比减小;随着转速的增大,弹性接触面积比逐渐减小,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比逐渐增大。     

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。     

传热界面真实接触面积计算与分析

在热流通过两相互接触材料尤其是金属材料的界面时，真实接触面积是界面传热的一个主要影响因素。当承受大应力的两接触体之间具有相对滑动或相对滑动趋势时，粗糙表面在压力和粘着力及剪切力的作用下接触粗糙峰发生弹性、弹一塑性或完全塑性变形，真实接触面积与压力之间的关系随变形机制而发生变化，在力的作用下材料的变形机制由表面微观几何形貌和力学性质决定。计算表明，单个粗糙峰接触面积与载荷的关系受变形机制的影响，粘着力对接触面积的影响可以忽略，表面相对滑动将增加真实接触面积。     

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。     

粗糙表面微峰接触模型在部分膜弹流润滑中的应用

一、引言工程零件的表面都是粗糙的,粗糙表面接触时,真实接触面积和微峰接触载荷的确定很重要,这是由于引起摩擦磨损的表面间的相互作用都是在实际斑点上进行的。接触表面的变形模式取决于外压力、表面形貌及材料特性。通常粗糙表面接触模型按接     

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。     

基于分形几何的表面微观形貌模拟及粘着弹性接触计算研究

基于Ausloos和Berman提出的推广的W-M函数对具有分形特征的粗糙表面进行仿真模拟,分析了函数中与尺度无关的特征参数对表面微观形貌的物理意义。同时,基于Yan和Maugis的理论研究,用模拟的分形表面建立了考虑表面效应的弹性接触模型,通过数值方法对整个过程进行迭代求解,得到了两接触面在不同的接触条件下各个接触斑点上的载荷分布和真实接触面积以及接触斑点的数量和尺寸。由于真实接触面积的尺寸敏感地反应表面微观几何形貌的变化,因此该方法为研究粘着机制和减小微尺度粘着效应提供了思路。     

基于JKR模型的粗糙圆柱表面线黏着接触分析*

利用粗糙平面接触模型,假定表面单个微凸体的接触采用JKR黏着接触模型,同时考虑圆柱体表面的整体变形,建立了粗糙圆柱表面线黏着接触模型,推导出表面等效压力分布方程。把压力方程量纲一化,采用修正Newton-Raphson法对方程进行迭代求解,计算出粗糙圆柱表面存在表面力作用下的等效压力分布曲线。结果表明外载荷不小于零时,接触中心压力为正,微凸体被压缩;而接触边缘处压力为负,微凸体被拉伸,表明黏着区域主要分布在接触边缘。同时计算出接触半宽随外载荷的变化曲线,当外载荷为拉伸力并大于某一临界值时,表面分开。并且与经典的接触模型进行了对比,发现低载时模型之间的差别较大,而载荷比较大时趋于一致。     

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。     

具有微织构形貌的结合面法向接触刚度分形模型的研究

研究微织构结合面上的表面形貌参数对结合面法向接触刚度的影响。根据微织构表面的形貌特征,将微织构表面分为织构前表面和织构区域两部分,由分形接触理论计算出织构前表面上微凸体的基本参数,忽略织构区域底部未接触部分,将微凸体在接触载荷作用下的变形分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。由接触力学理论,首先建立织构前表面上单个微凸体的法向接触刚度模型。然后由微观到宏观,结合微织构表面的织构形貌特征,构造整个宏观微织构结合面的法向接触刚度计算模型,研究不同的表面形貌参数对于微织构界面上法向接触载荷、微凸体因载荷产生的变形以及法向接触刚度的影响。经过仿真分析之后,结果表明,当微织构结合面的法向接触载荷不断增大时,结合面的法向接触刚度总体呈单调上升趋势;并且随着织构密度的增加,结合面上由于织构形貌的存在,使得一部分微凸体未产生变形,从而减小结合面的法向接触刚度,并且当法向载荷增加时,这种效果会更加明显;在相同的接触载荷下,塑性指数越高,处于塑性变形状态的微凸体就越多,从而使具有微织构形貌的结合面的法向接触刚度变大。     

基于分形几何与接触力学理论的结合面法向接触刚度计算模型

基于分形几何理论和接触力学理论,用分形理论表征粗糙表面微凸体参数,考虑微凸体由弹性变形向弹塑性变形以至最终向完全塑性变形转化的过程,建立各变形阶段微凸体的接触刚度模型。在此基础上,提出机械结合面法向接触刚度计算模型,该模型揭示了在不同的塑性指数下,结合面法向接触载荷与法向接触刚度之间的关系。结果表明,在塑性指数较小时,微凸体的变形以弹性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为近似线性关系;随着塑性指数的增加,微凸体变形主要以塑性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为较强非线性关系。对已有的铣削加工和磨削加工情况下的结合面法向接触刚度试验结果,利用该模型进行数值计算、仿真和分析。结果表明:提出的模型更与试验曲线吻合。     

接触热导率数值预测研究

假设粗糙表面轮廓高度服从高斯分布,并将两粗糙表面间的接触等效为粗糙表面与光滑刚性表面的接触。由均方根粗糙度和平均凸峰坡度得出接触点的平均半径和单位面积内的接触点个数,分别建立了用圆柱体和圆锥台来表现接触粗糙峰的两种有限元模型,对接触热导率进行了数值预测。通过对比发现,用圆柱体来表现粗糙峰的模型计算出的结果与试验吻合较好,且其误差随界面载荷的增大而减小。     

螺栓结合面微观接触模型

针对螺栓结合面弹塑性区域内的接触机理难以确定问题,根据在变形状态转变的临界点处微凸体真实接触面积与接触载荷转化均满足连续和光滑条件,构造新的多项式函数来描述接触变形与接触面积之间的关系。利用统计学方法建立螺栓结合面真实接触面、接触载荷与接触刚度模型。理论计算结果表明:随着平均表面距离的减少,接触载荷、接触面积和接触刚度随之增加;接触面积和接触刚度,随着接触载荷的增加而增加,当接触载荷增加一定程度后接触刚度和接触面积值分别趋于理想接触刚度和名义接触面积值;当螺栓结合面处于弹性和弹塑性接触状态时,塑性指数越大,接触面积越大,而平均接触距离和接触刚度就越小,当处于完全塑性状态时,塑性指数越大,刚度和平均接触距离就越大,而真实接触面积影响较小。