人机接触面形态设计的数据映射模型

针对产品人机接触面形态设计的复杂性,基于人机接触压力分布实验数据,建立了从实验数据到接触曲面形态的映射模型.采用能量优化的方法进行曲面造型,并通过对压力分布图的优化来产生高质量的曲面人机性能.叙述了映射模型构建的技术路线与实验方法,通过座椅曲面的形态设计对映射模型进行了应用验证,结果表明,该模型在曲面人机工程设计方面有巨大的潜力和广阔前景.     

基于能量优化的产品曲面人机设计

基于对产品人机接触面形态的概率和接触力学等特性的分析，提出了基于人体形态与产品曲面形态的相似性和人机接触压力的能量优化曲面形态设计方法。考虑载荷大小、接触压力分布状态、曲面材料特性设置、曲面光顺性等，拟订了人机曲面形态设计的能量函数与求解方法，并建立了基于能量优化的产品曲面人机设计过程模型，结合理论建模、实验数据分析和编程实践，建立了从实验数据到产品人机接触面形态的映射机制，以座椅曲面设计为实例实现了基于接触压力实验数据的能量优化设计方法，并对设计结果做了比较分析。     

基于体压数据映射的定制坐垫接触面设计方法

贴合人体臀部轮廓的定制坐垫能够提高舒适性,定制坐垫接触面的体压映射设计方法简便且高效,但合理的体压映射函数难以确定。针对聚氨酯泡沫坐垫,提出了一种结合人体臀部-坐垫模型仿真结果确定体压映射函数的定制坐垫接触面体压映射设计方法(Simulated pressure and deformation mapping method,SPDM),建立人体臀部-坐垫有限元模型,结合实验者体型参数和泡沫材料特性曲线对人体臀部-坐垫模型进行适应性调整,拟合坐垫上表面压力与变形量仿真结果得到体压映射函数,利用体压映射函数对实测体压数据进行映射得到接触面凹陷量点云数据,在三维软件中完成定制坐垫接触面曲面重构。以两个不同体型(95和50百分位)的实验者为例,采用SPDM方法进行定制坐垫接触面设计,并与材料特性曲线映射方法(Tested material characteristic mapping method,TMCM)设计的定制坐垫接触面进行对比,曲面光顺性和体压分布指标比较结果表明SPDM方法设计的定制坐垫接触面具有更好的光顺性,能更好地贴合人体臀部,有效改善了坐垫体压分布。     

产品复杂表面形态结构的映射设计方法

为解决表面形态复杂、细节众多的产品在三维造型设计技术上的难题.以编织产品为例,分析了其组织结构的数学特征与造型规律,将其分为交织结构和缠绕结构两大基本类别.在织物结构三维设计的单元体技术基础上,增加了形态变量控制,实现了编织产品整体形态上的复杂细节高效造型设计方法.利用二次映射技术将非均匀有理B样条曲线曲面自动转化为细节丰富的编织结构,并根据用户输入的参数调整编织结构的组织样式、密度、粗细等细部结构形态.在藤椅等典型编织产品的设计中进行了应用实践,并探讨了三维图案结构的生成方法.将设计师的工作简化为一般的曲面造型概念设计,用软件工具完成复杂形态细节的自动化建模,促进了复杂形态产品的设计.     

一种套管悬挂器金属密封结构设计与研究

针对高温高压下悬挂器橡胶密封件的失效问题,采用316L软金属,设计线型、正弦、椭圆、抛物线4种不同的密封结构,采用ANSYS软件分析套管悬重及不同顶丝压力下的接触压力和接触宽度的变化规律。结果表明:随顶丝压力的增加,线型密封各接触面处的平均接触压力增幅较小,正弦和抛物线型密封各接触面处的平均接触压力起伏式增加,椭圆密封各接触面处的平均接触压力平稳增加,表明采用椭圆型接触面有利于密封的稳定。实验结果表明,该全金属多级等锥椭圆曲面密封结构可靠,能满足油田井口装置140 MPa极限工况的密封要求。     

基于三维接触的滑环式旋转组合密封性能主控因素分析

密封圈二维有限元分析中,常将密封圈接触面上最大接触压力推广到整个接触面上,针对这种不够精确的方法,提出了一种基于三维仿真模型的有效接触压力高精度计算方法。建立组合密封圈的三维模型,模拟实际工况,对影响其动密封特性的轴往复运动速度、轴转速、介质压力、O形圈压缩量、滑环厚度、滑环动接触面开槽进行了研究,并利用有效接触压力计算方法分析了动接触面上有效接触压力的分布情况。结果表明：滑环开槽、滑环厚度、O形圈压缩量以及介质压力对组合密封圈有效接触压力影响较大,内轴往复速度以及转速达到一定值后对有效接触压力影响较大。研究结果为滑环式组合密封圈的优化设计提供了参考。     

应用C-C曲面网格细分的产品造型定制设计

将复杂产品的形态根据造型特征简化为简单的网格模型,基于C-C曲面网格细分原理,提出了在产品造型设计中首先制作出产品的简单网格模型,由用户对网格顶点进行多次编辑修改后再进行网格细分,从而获得产品定制造型方案的方法。该方法基于网格细分,执行速度快,运算量小,在应用的过程中可使用户深度体验定制设计过程,设计师只需要制作出产品的初始形态的简单网格,由用户便捷地修改顶点位置,无需进行大量的曲面编辑操作,便可迅速获得多种产品造型方案,从而提高产品造型设计效率。     

叶片高质量造型方法研究

通过对叶片自由曲面造型方法的研究 ,分析了现有造型方法中的若干曲面质量缺陷 ,指出了导致曲面质量缺陷的根本原因。以从截面线计算叶片截面中弧线和厚度分布曲线算法为基础 ,提出一种数据点参数化方法 ,实现了保证厚度特征的叶片高质量造型方法 ,有效地解决了叶片曲面造型质量问题     

基于响应曲面法的双Y形密封圈接触压力分析及优化设计

为改善双Y形密封圈在井底高温、高压工况下的密封性能,建立双Y形密封圈的二维轴对称模型,采用有限元分析软件ANSYS分析初始压缩量、润滑油压力以及润滑油与泥浆压差对双Y形密封圈密封面处接触压力的影响。结果表明:密封面处的最大接触压力随着润滑油压力的增加而增加,在不同润滑油压力下,最大接触压力始终大于润滑油压力,能够形成良好密封;随着初始压缩量的增加,最大接触压力逐渐减小,因此在保证形成良好密封的前提下,适当减小初始压缩量可以提高密封性能;随着压差的增加,最大接触应力先增加后减小最后趋于平缓。基于响应曲面法,以获得接触面最大接触压力为优化目标,对双Y形密封圈进行优化设计,得到其最佳优化组合方案。     

基于逆向工程的汽车覆盖件产品设计

在介绍汽车覆盖件产品逆向开发流程及其关键技术的基础上分析了点云数据采集、处理、曲面重构、曲面数据质量评估等工作要点。以某车型翼子板的逆向设计为例,由ATOS光栅扫描仪测得点云数据,利用Image-ware软件对测量数据进行处理,且基于NURBS曲面重构理论进行覆盖件造型表面重构,完成了汽车翼子板复杂曲面的三维几何模型逆向设计,为后续的分析、模具设计、NC加工等奠定了基础,极大地缩短了产品的开发周期。     

单粗糙峰通过接触区全过程的时变热弹流数值仿真

建立了带单粗糙峰的表面滚滑工况的点接触时变热弹流模型，数值模拟了钢与钢接触、快速表面带单粗糙峰通过接触区的全过程。结果表明，接触区内的粗糙峰会引起局部高压，当粗糙峰较高时，润滑膜会变得极薄，这对润滑的可靠性是不利的，而局部压力高峰也会严重降低材料的表面疲劳寿命。     

高温氧气条件下CrNiMo钢的摩擦磨损特性研究

以CrNiMo钢和H96黄铜组成配副,利用QG-700型高温气氛摩擦磨损试验机,研究了高温氧气气氛环境中滑动速度、接触压力等对CrNiMo钢摩擦学特性的影响.采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对磨损表面进行表征.结果表明:在高温氧气气氛中,随着滑动速度和接触压力的增大,摩擦因数逐渐减小,磨损率逐渐增大.在滑动速度和接触压力逐渐增大的过程中,CrNiMo钢的主要磨损机制由粘着磨损转变为氧化磨损.     

Modeling of fretting wear evolution in rough circular contacts in partial slip

This paper presents a numerical model that maps the evolution of contact pressure and surface profile of Hertzian rough contacting bodies in fretting wear under partial slip conditions. The model was used to determine the sliding distance of the contacting surface asperities for one cycle of tangential load. The contact pressure and sliding distance were used with Archard's wear law to determine local wear at each surface asperity. Subsequently, the contact surface profile was updated due to wear. The approach developed in this study allows for implementation of simulated and/or measured real rough surfaces and study the effects of various statistical surface properties on fretting wear. The results from this investigation indicate that an elastic–perfectly plastic material model is superior to a completely elastic material model. Surface roughness of even small magnitudes is a major factor in wear calculations and cannot be neglected.     

Transient EHL analysis on spur gear teeth with consideration of gear kinematics

Transient 3-dimensional elasto-hydrodynamic lubrication (EHL) analysis is performed on the contacting teeth surfaces of involute spur gears. Kinematics of the gear and the pinion are taken into account to get accurate geometric clearance around the EHL region of the contacting teeth. The surface pressure and film thickness distribution for the whole contact faces in a lubricated condition at several time steps are obtained through the analysis. Besides the pressure spike at the outlet region, a representative phenomenon in EHL regime, the pressure at the inlet region is slightly higher than that of the center region. The film thickness of transient condition is thicker than that of steady condition.     

金属铸造界面传热系数的试验研究及其确定

金属铸造凝固过程中,在接触界面间会产生热阻.热阻的大小随空间和时间变化,常常主导着热传导的过程,通常将热阻的影响表示为界面传热系数,在温度场数值模拟中,铸件与铸型间的界面传热系数是关键的参数.利用有限元分析软件ANSYS结合试验数据,模拟了铸造凝固过程的温度场,分别考虑了不同界面传热系数对模拟结果的影响,并将模拟数据与试验结果进行了比较,发现了金属型铸造界面传热系数随时间变化的规律,以及铸件与铸型的接触位置对界面传热系数的影响.     

Deformation due to contact between a rough surface and a smooth ball

Theoretical and experimental results are presented to evaluate the deformation behavior of the contact between a real rough flat surface and a smooth ball. There are three deformation responses: plastic deformation of the asperities only, plastic deformation of the bulk only and combined plastic deformation of both the asperities and the bulk. The effects of the surface roughness and the Hertzian contact parameters on the effective contact pressure are presented. The experimental results confirmed the theoretical prediction very well. For a given Hertzian contact situation the surface roughness plays an important role in controlling the deformation behavior of the contacting surfaces. A criterion is presented to predict the deformation behavior of contacting engineering surfaces.     

Haptic-STM: a human-in-the-loop interface to a scanning tunneling microscope

The operation of a haptic device interfaced with a scanning tunneling microscope (STM) is presented here. The user moves the STM tip in three dimensions by means of a stylus attached to the haptic instrument. The tunneling current measured by the STM is converted to a vertical force, applied to the stylus and felt by the user, with the user being incorporated into the feedback loop that controls the tip-surface distance. A haptic-STM interface of this nature allows the user to feel atomic features on the surface and facilitates the tactile manipulation of the adsorbate/substrate system. The operation of this device is demonstrated via the room temperature STM imaging of C(60) molecules adsorbed on an Au(111) surface in ultra-high vacuum.     

微动接触应力的有限元分析

以方足微动桥,试样接触几何条件为研究对象,应用ANSYS有限元分析软件对其接触面上的应力分布进行弹性有限元分析,验证用ANSYS所建计算模型的正确性,分别计算不同名义接触压力和不同摩擦因数条件下接触状态（粘着区、滑动区、张开区）和接触面应力分布,选取不同水平的循环载荷进行计算,研究接触状态和应力分布随循环载荷的变化情况。结果表明,微动疲劳过程中接触表面拉应力与剪应力在接触面的粘,滑交界区存在突变,微动疲劳裂纹正是在这一区域内萌生并扩展,计算结果与实验结果吻合很好。     

可扩展曲线、曲面插补的开放式数控系统研究

开放式CNC完全由可以单独编译调试的独立模块组成。采用用户定制Rtdll（实时动态链接库）形式的插补模块的方法,并利用专用指令映射机制,用户无需了解系统内部运行规则,即可将开发的专用曲线、曲面直接插补技术加入到已有数控系统中,从而方便地实现插补指令的用户扩展。以凸轮加工为例,给出用户方式扩展的样条插补指令加工仿真结果。