粗糙表面热弹塑性接触自适应无网格分析

为了在较真实地模拟接触状态的同时节省计算耗费,采用自适应无网格法求解粗糙表面热弹塑性接触问题.计算中考虑了屈服强度温度相关因素,将基于应变能梯度的自适应无网格法与线性规划一增量初应力法相结合,构建了热弹塑性接触自适应无网格分析模型,并给出相应的程序流程.通过粗糙表面与弹塑性平面热弹塑性接触算例进行验证,分别对两种不同工程材料考虑切向摩擦力、材料应变硬化和材料屈服强度温度相关等情况进行了讨论.结果表明,采用自适应无网格法能有效求解粗糙表面热弹塑性接触问题,在保证计算精度与整体加密相当的情况下,自适应加密的计算耗费约为整体加密计算耗费的10%.     

粗糙表面热弹塑性接触问题的无网格法

建立可考虑屈服应力温度相关的粗糙表面热弹塑性接触无网格法数值计算模型.研究摩擦力和不同热输入情况下圆柱体与弹塑性平面的接触力学特性,探讨摩擦热效应对表面温升、接触压力和接触面积的影响.结果表明在考虑剪切摩擦力作用后,弹塑性接触压力分布不再关于接触区域中轴线对称而出现了"塌陷"现象.通过无网格法解与有限元法解比较发现不恰当的有限元网格划分会造成接触压力的数值震荡,而无网格法可避免这一现象的发生.发现忽略温度相关效应将高估最大接触压力而低估相应外载荷下产生的接触面积.     

材料属性温度相关热弹塑性接触问题研究

应用有限元方法建立了可考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触模型.研究了摩擦力和不同热输入情况下圆柱体与弹塑性平面的接触力学特性.求解了考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触问题,探讨了摩擦热效应对表面温升、接触压力、平均间隙及接触体应力分布的影响.提出了考虑热膨胀系数温度相关效应的热弹塑性接触模型.通过刚性圆柱体与半无限大平面的热弹塑性接触研究了热膨胀系数温度相关效应对接触体应力分布的影响.     

材料属性温度相关热弹塑性接触问题研究

应用有限元方法建立了可考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触模型。研究了摩擦力和不同热输入情况下圆柱体与弹塑性平面的接触力学特性。求解了考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触问题,探讨了摩擦热效应对表面温升、接触压力、平均间隙及接触体应力分布的影响。提出了考虑热膨胀系数温度相关效应的热弹塑性接触模型。通过刚性圆柱体与半无限大平面的热弹塑性接触研究了热膨胀系数温度相关效应对接触体应力分布的影响。
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接触问题的自适应无网格伽辽金方法

针对接触问题提出了基于应变能梯度的自适应无网格伽辽金方法。通过对自适应无网格伽辽金方法的原理讨论,给出了基于背景网格的误差估计方法,并对自适应求解流程进行了阐述。研究了无网格节点加密技术和自适应搜索半径等关键技术。编程求解了圆柱体接触问题,并与理论解和均匀密化数值解进行比较,给出了接触计算中合理的参数范围,对真实粗糙表面接触问题进行了计算,计算结果表明,在相当计算精度下,自适应加密计算耗时仅为同等整体加密计算的18.6%。     

二维自适应粗糙表面弹塑性接触模型

提出一种基于自适应粗糙表面描述的弹塑性接触模型。根据某一给定阈值,去除粗糙表面上对接触力学行为影响较小的结点以减少计算时间。采用在计算区域划分及结点排布上较为灵活性的无网格伽辽金—有限元耦合方法求解自适应粗糙表面弹塑性接触模型。算例表明,当接触压力相对误差约为5%时,自适应接触模型的计算时间相对于非自适应接触计算可减少约50%。分析不同阈值对接触压力分布、接触间隙及接触体弹塑性应力分布的影响。     

渗氮钢粗糙表面的弹塑性接触研究

利用弹塑性有限元和单纯形法求解弹塑性接触模型，分别模拟了屈服强度呈梯度变化的渗氮钢、未经处理的匀质材料和硬涂层材料粗糙表面的弹塑性接触行为。与未经处理的匀质材料相比，渗氮钢可承受更大接触载荷。在相同载荷作用下，渗氮钢表面粗糙峰接触面积较小，平均间距较大，接触体内材料不易发生屈服，从而显著提高接触性能。和硬涂层材料相比，渗氮钢接触体内等效von Mises应力分布平缓，没有应力突变。最后讨论了渗氮层和硬涂层的厚度对粗糙表面接触特性的影响。     

粗糙表面塑性变形对弹流润滑性能的影响

利用弹塑性动压润滑理论来分析线接触条件下粗糙表面的塑性变形对润滑性能的影响。首先计算总变形量,然后根据弹塑性理论对总变形量进行修正获得弹塑性变形量。计算中采用直接迭代法对雷诺方程进行数值求解,用多重网格法得到弹塑性变形量。为定量分析塑性变形的影响,采用余弦粗糙度来代替实际的粗糙表面,通过改变余弦粗糙度的峰高、波长和相位来表征粗糙度的变化,以此来分析粗糙度对弹塑性流体润滑的影响。计算结果表明:考虑塑性因素后,在接触的高压区膜厚变小,油膜分布曲线变得平坦,同时接触区域的油膜压力也明显变小;此外塑性变形因素的存在使得接触区的压力和油膜分布宽度增加,第二压力峰和最小膜厚点后移。     

弹塑性粗糙表面实际接触面积演变规律研究

粗糙表面的实际接触面积直接影响精密机电设备配合表面的摩擦因数、热导/电导率、接触应力等.然而,针对弹塑性接触行为进行系统性地研究很少,弹塑性粗糙表面实际接触面积的演变规律尚不明确.针对这一问题,通过理论研究获得了弹塑性粗糙表面实际接触面积的影响因素,并引入弹塑性接触力学数值计算方法,对具有不同材料参数和表面形貌特征的弹塑性粗糙表面的接触行为进行数值仿真计算,得到各种情况下的表面实际接触面积随着平均接触压力的变化曲线,总结出了实际接触面积演变规律与这些影响因素之间的映射关系,并最终得到实际接触面积的计算公式,为弹塑性接触力学的相关工程应用奠定了基础.     

二维多粗糙峰涂层表面的弹塑性接触力学分析

应用有限元方法对二维多粗糙峰涂层表面的弹塑性接触力学行为进行了分析。对不同涂层材料弹性模量、不同屈服极限、不同涂层厚度及不同表面形貌的粗糙表面与刚性平面的弹塑性接触问题进行了模拟,分析了这几种因素对接触压力、接触面积、表面轮廓变形及应力场分布的影响。     

基于高斯粗糙表面的角接触球轴承微弹流润滑研究

基于二维数字滤波法模拟高斯粗糙表面,建立考虑高斯粗糙表面形貌及热效应的角接触球轴承微弹流润滑模型,采用多重网格积分法求解弹性变形,采用Gauss-Seidel及Jacobi迭代法迭代求解压力,采用逐步扫描法求解油膜能量方程,采用渐进网格加密法求解强耦合非线性微弹流润滑方程组。结果表明:当x、y方向自相关长度相同时,随着粗糙表面均方根值的增加,油膜压力及温度明显增加,膜厚显著减小;反之,油膜压力及膜厚在自相关长度较小的方向出现明显的纹理特性,且当纹理特性与润滑油流动方向相同时,油膜温度显著减小。     

不同粗糙纹理对齿轮齿条热弹流润滑的影响

将齿轮齿条的传动模型简化为圆柱与无限大平面之间的运动,建立考虑齿轮和齿条齿面粗糙纹理影响的齿轮齿条传动的热弹流润滑模型。采用牛顿流体,压力求解采用多重网格法,弹性变形采用多重网格积分法,计算得到不同粗糙纹理下的压力与膜厚,并与光滑表面进行比较,同时比较考虑热效应与等温情况下的压力与膜厚。计算结果表明:受粗糙纹理的影响,齿轮齿条传动机构的压力、膜厚和温升出现波动,最小膜厚变薄;矩形和三角形粗糙纹理表面粗糙峰和粗糙谷内都会形成局部的弹流现象,产生局部压力峰;考虑热效应时粗糙纹理表面的温升呈现波动,而压力和膜厚的波动幅度更大,考虑热效应的齿轮齿条传动机构的弹流润滑分析更符合工程实际。     

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。     

基于热力耦合的钢轨接触疲劳裂纹扩展特性分析

采用热弹塑性有限元法和裂纹尖端位移法,对轮轨全滑接触状态下的钢轨表面斜裂纹的扩展特性进行分析.热力耦合有限元模型中,考虑轮轨自由表面与环境热对流、裂纹表面间热传导和温度对材料参数的影响,通过移动边界条件模拟轮轨接触区的移动,计算轮轨摩擦因数、裂纹表面间的摩擦因数和裂纹角度对钢轨表面裂纹扩展特性的影响.计算结果表明:在热...     

基于真应力-应变关系的粗糙表面法向接触模型

提出一种粗糙表面的法向弹塑性接触分析的建模方法。基于微凸体的弹塑性有限元接触模型,分别研究了40Cr、45和Q235三种钢材料的微凸体与刚性平面的法向接触特性。有限元模型中采用三种材料的真应力-应变关系,考察了不同强化特性对微凸体接触性质的影响。建立了微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段统一的接触变量变化规律的表达式。在此基础上应用概率统计理论建立粗糙表面法向弹塑性接触模型。所建立的接触模型中微凸体接触变量的变化规律完全基于弹塑性有限元模型的计算结果,无需将微凸体的变形过程区分为不同的变形阶段,避免了接触变量在各阶段采用不同函数表达式带来的连续性和光滑性问题,以及在弹塑性阶段采用插值函数的随意性问题。通过与其他接触模型的计算结果相比较,证明了所提出接触模型的合理性。     

粗糙表面基于G-W接触的三维瞬态热结构耦合

工程表面是粗糙的,其对磨损有较大影响.为了研究磨损过程的热动力学,文中基于G-W (Greenwood-Williamson)接触模型,将两个粗糙表面简化为一规则形状微凸体与一理想平面,分析在移动热源作用下接触面的边界条件,着重考虑摩擦滑动过程中两物体的弹性变形以及摩擦接触温度与接触区域应力的耦合问题,利用热-结构顺序耦合建立三维瞬态有限元计算模型.从而揭示粗糙表面滑动摩擦副的温度和热应力分布规律,为进一步研究热-机械失效问题及磨损机理奠定理论基础.     

双粗糙接触模型的表面温度在滑动摩擦过程中变化分析

建立三维双粗糙体分形表面的热力耦合接触模型,在固定滑动速度工况下综合考虑了钛合金材料的磨损失效、界面粘着及接触过程中的热力耦合,动态探讨了粗糙体在滑动过程中接触表面的温度变化情况。运用有限元方法对滑动过程的温度场进行模拟仿真并得出:滑动摩擦初始时刻摩擦表面接触温度急剧上升,随着滑动距离的增加,最高接触温度处于波动状态;界面剪切强度越大,最高温度越高。通过研究接触表面的温度场分布情况,以探索滑动过程钛合金材料摩擦磨损的真正起因。将结果与相关文献实验进行比较,得出了模拟仿真的合理性。     

渐开线直齿轮瞬态微观热弹流润滑分析

考虑了瞬态效应、轮齿表面油膜温度场和轮齿表面纵向粗糙度等因素,对渐开线直齿圆柱齿轮的弹流润滑问题进行研究。载荷由双齿或单齿承担,根据实际载荷谱简化的轮齿载荷曲线,利用压力求解的多重网格法和弹性变形求解的多重网格积分法以及温度求解的逐列扫描技术,得到渐开线直齿轮瞬态微观热弹流润滑问题的完全数值解,讨论了轮齿间油膜的厚度、压力、温度沿啮合线的变化规律。数值计算结果表明,齿轮表面纵向粗糙度对轮齿间油膜的压力、膜厚、温升都有较大影响。考虑轮齿表面粗糙度后,油膜压力和温升明显增大,并随压力的增加而影响越来越显著,粗糙峰使油膜压力分布和温度分布产生振荡,轮齿表面的粗糙峰对摩擦因数影响较小,摩擦因数和最高温升在节点两侧最大。     

焊缝金属的屈服强度和材料的加工硬化对Q345钢焊接残余应力与变形计算精度的影响

建立合适的材料模型是有限元法准确预测焊接残余应力与变形的关键.基于有限元软件ABAQUS,采用热-弹-塑性有限元方法模拟Q345低合金高强钢平板对接接头的焊接残余应力与变形,探讨焊缝金属的屈服强度和材料的加工硬化对焊接残余应力和变形的影响.数值模拟结果表明,与理想弹塑性模型预测的结果相比,材料模型区分考虑母材和焊缝金属的屈服强度会明显增加焊缝及其附近区域的纵向残余应力,材料模型考虑材料的加工硬化及退火软化效应会显著增加焊接接头下表面的纵向和横向残余应力,材料模型考虑焊缝金属的屈服强度和材料的加工硬化及退火软化效应对平板对接接头角变形的影响较小.比较计算结果与试验结果可知,为准确地预测Q345钢接头焊接残余应力与变形,材料模型要区分考虑母材与焊缝金属的屈服强度、材料的加工硬化及退火软化效应.提出的材料模型为采用数值模拟方法高精度地获得Q345低合金高强钢接头或结构的残余应力与变形奠定了理论基础.     

热-机载荷作用下随动强化管道安定性分析的改进数值方法

安定性分析是一种有效的预测压力管道在热-机载荷作用下的棘轮与交变塑性失效的方法。为了克服现有安定性分析方法无法同时考虑材料的随动强化行为以及温度对材料性能的影响的缺点,提出一种基于降维迭代法的数值算法。该算法将同时考虑随动强化和依赖于温度的屈服函数的安定性分析问题转化为具有固定屈服面的理想弹塑性安定性分析问题,降低了求解的复杂性。算例表明,方法可以提高热-机载荷作用下压力管道棘轮与交变塑性失效预测的准确性,具有一定工程应用价值。