粗糙表面滑动摩擦接触模型研究的进展

对近年来国内外粗糙表面模型的进展进行了概述,根据粗糙表面模型类型的不同,分为粗糙表面和平面接触模型以及双粗糙表面接触模型,在各自模型中按照静载和滑动接触类型的研究进展进行表述,并提出了一些目前研究中遇到的热力耦合的问题以及将来双粗糙分形表面模型的发展.     

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。     

基于Recurdyn的50m天线轮轨接触动力学仿真

针对天线轮轨系统中的轮轨接触变形问题,对轮轨组合的数学模型、接触关系、工作模式、运行轨道等方面进行了研究,基于多体动力学对天线轮轨系统建立了刚柔耦合模型,利用Recurdyn软件对轮轨系统进行了仿真分析,得到了轨道应力和变形云图,提出了轮轨接触模型的最大应力和最大变形出现位置,设计了轨道加载变形测量实验,并将现场实验测得的轮轨变形数据与仿真结果进行了比较,验证了轮轨接触模型的准确性。研究结果表明,该轮轨接触动力学模型能够为国家天文台50 m射电天线的轮轨磨损和冲击变形提供了参考,也为模型的进一步优化设计提供了依据和思路。     

高速轮轨粗糙表面法向和切向接触刚度研究

为准确计算高速轮轨粗糙表面法向和切向接触刚度,基于W-M函数分形理论建立高速轮轨表面粗糙度三维数值模型;分析轮轨法向和切向接触刚度理论,运用有限元法离散轮轨接触面建立轮轨粗糙表面接触有限元简化模型;基于罚函数的面-面接触算法定义轮轨接触,加载位移载荷计算轮轨法向和切向接触刚度。计算结果表明:接触载荷作用下考虑轮轨表面粗糙度可更为准确地计算法向和切向接触刚度;轮轨法向接触刚度受法向载荷影响较大,且随着法向载荷的增加而增加,而摩擦因数对法向接触刚度的影响甚微;轮轨切向接触刚度随着法向载荷和摩擦因数的增加而增加,随着切向载荷的增加而减小。     

考虑摩擦因数与滑动速度相关时的轮轨滚动接触有限元分析

使用与滑动速度相关的摩擦因数替代库伦摩擦定律中的常系数,结合mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,分析牵引力主导的蠕滑工况下的干燥状态的轮轨滚动接触特性。通过与摩擦因数取值为常数的轮轨滚动接触分析结果对比发现:与滑动速度相关的摩擦因数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响不大,均在1%以内;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和最大等效塑性应变影响较大,特别是对最大纵向切应力影响幅度近20%;更需要引起注意的是对轮轨滚动接触摩擦力矢量分布和切向塑性应变分布影响明显,这对轮轨滚动接触疲劳损伤分析非常重要。     

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。     

滑动接触中摩擦发热的数值分析

在滑动接触中，存在摩擦起热问题，运动机理对接触行为参数特性的影响不同于纯滚动接触，采用有限元方法，利用ANSYS软件，对2维滚滑模型进行分析，通过研究接触区的温度，接触应力和变形在运动学状态下的变化特性，可以看到接触状态的非稳定性必定会造成实际摩擦状态的不同，这也是形成接触表面不均匀磨损的原因之一。     

基于约束函数法的热-力耦合分析

对高速问题中存在的热-力耦合现象建立热-力耦合模型,提出系统的动力学平衡方程和热力学平衡方程.对系统中物体间的接触条件进行分析,得到物体间接触条件的数学表达式,在此基础上,用约束函数表示接触约束条件.应用变分原理对约束函数进行变分,与系统平衡方程组成非线性方程组进行求解.文中最后给出一个应用约束函数法解决热-力耦合问题的实例.结果表明该方法收敛性好,算法稳定,计算结果与实际相符.     

基于材料热参数的摩擦表面接触形变模型

基于材料热参数对摩擦表面热弹性和热膨胀产生的互逆变形原理,运用Hertz理论和材料本构关系推导出了描述摩擦表面接触变形的理论模型;利用Voss提出的连续随机相加算法思想,模拟分形布朗运动以建立工程粗糙表面;并将模拟表面与理论模型相结合,实现了热参数对摩擦表面粗糙度演变规律的描述。研究表明,摩擦表面的接触形变与其材料的热参数相关;实例分析表明,材料热参数对摩擦表面粗糙度的影响很大,且不同热参数的影响程度不同,从各个参数变化与工程表面的粗糙度变化曲线可以看出,热参数中除热导率与粗糙度变化呈现反比例非线性关系外,其他热参数的变化与粗糙度的变化趋势一致,但是变化曲率的大小有所不同;显然,这种影响程度可用来描述不同材料在摩擦过程中的表面粗糙度动态演变过程。     

成形板料表面的接触分形几何模型研究

提出一种新的方法用以描述板料与模具的接触问题。利用接触式轮廓仪对板料粗糙表面进行测量和分析，论证了成形板料表面的微观形貌可以用weierstrass—Mandelbrot分形函数来表征，所得到的参数是不依赖于测量尺度而变的“固有”参数。根据分形几何理论和接触力学理论，建立了板料与模具接触的接触面积与变形关系模型。     

基于分形接触模型的齿轮接触强度影响参数分析

根据基于分形接触模型的齿轮接触强度理论,讨论了影响齿轮接触强度大小的几个参数：粗糙度幅值参数、材料的特性参数、分形维数和表面粗糙度。结果表明：减小粗糙度幅值参数、增大材料的特性参数有利于提高齿轮接触强度;分形维数和表面粗糙度与接触强度之间不是线性关系,而是存在一个最优值。      

轮轨滚动接触高频振动的研究

利用有限元原理,研究由轨道不平滑而引起的铁路轮轨接触的高频振动。应用ANSYS软件对结构进行有限元分析,确定轮对模态和固有频率,计算轮对在随机谱激励下的响应。     

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.     

基于向量式分析的轮轨接触模拟

介绍了一种新的区别于传统有限元方法的计算力学方法——向量式分析方法。在理论公式推导的基础上,通过自编程序,利用该方法对轮轨静态接触问题进行了模拟。计算结果表明,该方法得到的最大轮轨法向接触压力、接触斑大小、Von mises等效应力与Hertz接触理论和有限元软件ANSYS结果仅相差±5%,吻合很好。向量式分析方法具有有效处理连续体大转动的优点,可为进一步模拟高速轮轨滚动接触动态行为提供很好的借鉴。     

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。     

基于ANSYS的轮轨摩擦滑动接触应力分析

以Hertz接触理论为依据,利用ANSYS建立2D有限元计算模型,模拟原地打滑、完全制动等轮轨滑动摩擦接触行为。分析了轮轨静接触和滑动接触时接触应力分布情况,研究了接触状态、轴重、滑动速度、载荷类型和钢轨轨顶圆半径对接触应力的影响。结合Hertz接触理论计算结果、剥离损伤理论和自激振动理论进行了轮轨损伤分析。     

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.     

成形板料表面的接触分形模型研究

提出了一种描述板料与模具接触问题的解决方法,对板料粗糙表面进行了测量和分析,得到了分形维数。根据分形几何理论和接触力学理论,建立了板料与模具接触的接触面积与接触力、摩擦系数之间关系模型,进而建立了接触面积、接触力、摩擦系数与冲压力之间的关系。     

工程粗糙表面接触摩擦热力学研究进展

对近年国内外工程粗糙表面微观热力学的数值模拟的进展作了综述,介绍了工程粗糙表面的表征、接触模型、表面温升的计算模型与方法的研究现状,并提出了当前相关研究中所遇到的问题及今后研究发展方向.     

基于分形理论的圆弧齿轮滑动摩擦接触力学模型

考虑到圆弧齿线圆柱齿轮传动接触之间的滑动摩擦与微凸体的连续性变形,结合分形理论和Hertz接触理论建立圆弧齿线圆柱齿轮的滑动摩擦接触力学模型,通过模型数值分析与ANSYS WORKBENCH分析的最大接触应力结果对比,证明该模型所反映圆弧齿线圆柱齿轮接触应力状态的正确性。该模型中,载荷与真实接触面积之间关系不仅与分形维数和特征尺度系数有关,还与齿轮节点曲率和齿轮齿线半径有关。同时,理论计算表明,分形维数一定时,真实接触面积随着载荷的增大而增大;载荷一定时,真实接触面积随着分形维数的增大先增大后减小,随着特征尺度系数的增大而减小;摩擦因数对真实接触面积的影响不大。该模型的建立为圆弧齿线圆柱齿轮工作状态的研究及强度分析提供了理论依据。