耦合基体变形与微凸体相互作用的结合面刚度模型

针对螺栓结合面,提出一种新的弹塑性接触刚度建模方法。该模型不仅延续了微凸体具有连续光滑接触特性的思想,还揭示了基体变形和微凸体相互作用的耦合关系,提出一种新的弹塑性接触刚度建模方法。首先,根据多尺度理论和数理统计方法,建立了具有连续光滑接触特性的结合面法向接触模型;然后,通过建立单个微凸体-基体系统模型和多微凸体接触模型,探究了基体变形和微凸体相互作用的作用机理和耦合关系,并对结合面接触模型进行修正;最后,对比仿真结果和已有实验数据,验证了修正模型的正确性,并分析了基体变形和微凸体相互作用的影响程度。仿真结果表明：基体变形不仅影响了微凸体的接触变形,还会进一步引起微凸体间相互作用的发生;微凸体相互作用使得微凸体高度分布发生偏移,导致结合面局部高度平面下移;相比于基体变形,微凸体相互作用对接触刚度的影响显著,但表面粗糙度的影响依旧占主导地位。     

基于域扩展因子和微凸体相互作用的结合面接触刚度模型研究

结合面接触刚度直接影响了机械设备的整机动态特性,为了建立更为准确的接触刚度模型,以分形几何理论为基础,利用单一微凸体承受局部载荷时的弹性变形特性,并基于域扩展因子引入微接触截面积分布函数,推导了考虑表面微凸体相互作用影响的结合面接触刚度分形模型。为了验证所提出模型的准确性,通过三维非接触式测量,获得了试验试样的表面轮廓数据,并根据结构函数法,计算了各个试样的表面分形参数,进而将理论接触刚度与试验结果对比分析,结果表明：法向接触刚度的增长速率与粗糙面表面临界接触面积有关,临界接触面积决定了结合面内的弹性变形占比。考虑微凸体相互作用后,所提出模型的预测曲线更加符合试验中法向载荷与接触刚度的关系。     

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。     

润滑状态下导轨结合面法向动态接触刚度实验研究

建立了圆柱微凸体的接触模型,该模型在微观层面上以圆柱形微凸体的接触代替两平面的接触,更加符合磨削加工的实际表面。在动态信号测试系统中,测试了直线滑动导轨结合面的动态特性参数,准确获得了法向接触动态刚度,并分析了载荷、速度、有无润滑对动态刚度的影响规律。实验结果表明：增加润滑油膜、降低滑动速度、增大载荷都可以增大导轨结合面的法向动态接触刚度。     

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。     

机械结合面法向动态接触刚度理论模型与试验研究

机械结合面经常可能在动态条件下工作,使得结合面的接触状态偏离静态工作状态,导致接触刚度发生改变。为了揭示动态接触刚度的变化规律,考虑两个粗糙结合表面上单个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接触过程,建立一个振动周期内各变形阶段微凸体的平均接触刚度模型;在此基础上,基于高斯分布假设,建立整个粗糙结合表面的动态接触刚度解析模型。该模型揭示了接触面压、振动频率和相对位移振幅对动态接触刚度的影响规律,并与试验结果和静态接触刚度计算结果进行了比较。研究表明:法向动态接触刚度和静态接触刚度与接触面压之间的关系基本一致,但有一定偏离。这种偏离程度随动态位移幅值和振动频率的增加而分别呈线性和非线性增大。     

螺栓结合面微观接触特性的不确定性量化

针对螺栓结合面微观接触特性具有不确定性,传统基于确定性理论建立的模型难以完整表征结合面微观接触特性的问题,提出了一种基于蒙特卡洛法的螺栓结合面微观接触特性的不确定性量化方法。首先,基于分形理论,表征了同一粗糙度结合面微凸体轮廓高度,并采用矩谱法求解了结合面表面形貌参数区间;其次,利用中心极限定理,将表面形貌参数区间变为符合微凸体轮廓高度分布的高斯分布函数,解决了随机抽样误差的累加造成的置信水平降低;最后,将表面形貌参数的不确定性嵌入蒙特卡洛法,获得了结合面接触特性的区间估计,通过对比分析揭示了考虑不确定性因素时接触间隙对接触特性的影响规律。研究表明,表面形貌参数的不确定性对螺栓结合面接触特性变化具有显著影响,并导致不确定性的影响不断累加。该方法为准确量化螺栓结合面的不确定性提供了理论依据与参考。     

考虑两粗糙面分形特性的接触模型

基于M-B分形接触模型,通过构建接触系数建立了考虑两粗糙面分形特征的接触模型。分析结果表明,修正模型能较好地与实验数据相吻合,并适用于更大的载荷,修正模型综合考虑两粗糙面的特性,其计算结果与实际接触情况更相符,为摩擦磨损预测、磨粒分析以及不同粗糙度表面的接触分析提供了参考。     

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。     

Approximate Formula for the Contact between Truncated Surfaces and Frictional Characteristics of a Journal Bearing in Mixed Lubrication

This paper presents an approximate formula for the contact of a non‐Gaussian distribution of truncated surfaces, which is useful for mixed lubrication theory, and gives a method for the determination of the truncation parameters in this formula from a measured roughness profile. Using this approximate formula for a contact, the approximate formula for the friction coefficient of a journal bearing in mixed lubrication, which was previously proposed by the authors, is modified for truncated surfaces, and the frictional characteristics are demonstrated for various parameters of truncated roughness using the modified formula.     

Effects of Micro-Wedges Formed Between Parallel Surfaces on Mixed Lubrication - Part I: Experimental Evidence

Surface roughness, lay direction, sliding speed, nominal pressure and viscosity of lubricant were used as influential parameters in the study of tribological behaviours of parallel surfaces under parallel sliding in the mixed-lubrication regime. The experimental evidence indicated that a small amount of surface roughness together with suitable lay directions could form effective micro-wedges, which definitely contributed significant hydrodynamic load-carrying capacity to the sliding pair.     

考虑摩擦的圆柱面切向接触刚度分形模型研究*

为了更准确地计算圆柱面切向接触刚度,本文考虑摩擦因素的影响,在圆柱面分形接触模型的基础上,引入存在摩擦时弹塑性变形的临界面积公式,并利用切向接触刚度的基本理论,推导考虑摩擦的圆柱面切向接触刚度分形模型,并通过Matlab对上述模型进行仿真,研究不同参数(摩擦因数、分形维数、粗糙度幅值 、材料的特性参数、曲率半径)以及接触的形式对切向接触刚度的影响。仿真结果表明：切向接触刚度与法向载荷成正比关系,但随分形维数取值范围的变化分别呈现指数与线性规律。摩擦因数与切向接触刚度成反比关系;材料的特性参数对切向刚度的影响,不仅与分形维数有关,还与自身取值关联;分形维数,粗糙度幅值与切向刚度的关系,受分形维数和材料特性参数的影响呈现正比或反比趋势。另外,内接触比外接触时的切向刚度大;随着曲率半径的变大,切向刚度增加。该研究为后续开展高副结合面动力学分析提供理论 基础。     

混合润滑下粗糙表面的接触刚度研究*

针对润滑状态下结合面的接触刚度问题,建立一种混合润滑状态下粗糙表面接触刚度等效薄层模型,将接触界面的总刚度等效为固体接触刚度和润滑剂接触刚度之和,研究不同实际接触面积下的表面形貌和润滑剂类型对法向接触刚度的影响,并讨论固体刚度和润滑剂刚度占总法向刚度的比例。结果表明：粗糙界面的法向接触刚度随法向载荷的增加而增加,且混合润滑状态下的接触刚度大于干接触条件下的接触刚度;在初始接触时,法向接触刚度敏感地依赖于润滑性能;随着实际接触面积的增大,表面形貌对接触刚度的影响变得更加明显。     

点接触混合润滑中两种求解模型的比较

混合润滑是典型零部件主要的润滑状态,根据表面形貌表征方式的不同,混合润滑模型一般分为统计学模型和确定性模型两类.为研究2种模型求解粗糙表面点接触混合润滑性能的差异,通过基于平均流量模型和GW模型的统计模型、基于统一Reynolds方程的确定性模型,分析并比较不同表面粗糙度、卷吸速度、载荷以及润滑油环境黏度时2种模型预测...     

用简化接触理论求复杂形面弹性流体动力润滑

简化接触理论是我国两院院士沈志云提出,用于研究列车轮轨滚动接触的4种理论之一,被国际学术界誉为“沈——理论”。其基本假定是:一点的变形仅与该点的受力有关,类似与文刻勒对地基的简化,但又充分考虑连续弹性体的变形特点,故大大简化计算。其次,简化接触理论更适合有限长或宽的物体,更符合工程实际。     

考虑硬度变化的结合面法向接触刚度分形模型*

基于分形几何理论,考虑微凸体因应变硬化而造成弹塑性变形阶段硬度随变形量变化而变化,建立结合面第一、第二弹塑性变形阶段单次加载刚度分形模型。推导出在计入硬度变化的情况下,单个微凸体在弹塑性变形阶段法向接触刚度与接触面积之间的关系式,进而得出结合面在弹塑性变形阶段法向接触刚度与接触面积、接触载荷之间量纲为一的关系式,并通过仿真分析得出相关参数对结合面法向接触刚度的影响。仿真结果显示:考虑硬度变化时,结合面量纲一法向接触刚度的值与法向实际接触载荷、实际接触面积之间存在关系;结合面法向接触刚度随着分形维数D的增大而增大;分形维数一定时,结合面法向接触刚度随表面长度尺度参数G值增大而增大。     

考虑软三体接触的粗糙界面混合润滑模型研究

软三体颗粒润滑是利用大量松散的固体软颗粒在界面中的承载和剪切行为实现特殊环境下界面的减摩,因此研究软颗粒介质摩擦界面在剪切过程中的受力情况,对软三体颗粒润滑机理的分析以及润滑装置的设计都具有重要意义。研究中将第三体颗粒类比为流体,基于雷诺方程、黏度方程、Greenwood和Williamson接触模型（G-W模型）等建立了含大颗粒粗糙界面的混合润滑模型。该模型中摩擦副的总载荷及总摩擦力由流体、微凸体和大颗粒三部分共同构成。通过采用有限差分法对上述物理模型进行求解分析,探究膜厚比、第三体大颗粒的质量浓度、粒径以及试件的表面形貌、弹性模量对三体接触界面的承载和摩擦力的影响情况,进而分析大颗粒粒径和接触表面粗糙度耦合时软三体接触界面的力学性能。基于对所构建的软三体接触界面混合润滑模型的研究可知：合理选择大颗粒质量浓度、粒径以及试件的表面形貌、弹性模量有助于提高承载、减小摩擦力,使得软三体颗粒流具有更好的减摩润滑性能。