两接触粗糙表面的椭圆弹塑性模型

视两单峰的接触区为椭圆,给出了两接触相糙表面的椭圆弹性通解.根据两单峰塑性接触时单个相糙峰的椭圆抛物面体积守恒推导了椭圆塑性通解.临界弹性干涉量随有效半径比增加而减小.塑性指数越小,临界弹性干涉量减小量越大.临界弹性干涉量随表面粗糙度增加、材料硬度减小而减小.椭圆、GW模型的临界弹性干涉量之比随有效半径比增加而减小.GW模型高估了临界弹性干涉量.椭圆、GW模型的塑性指数之比随有效半径比增加而增加.GW模型低估了塑性指数.有效半径比越大,偏差量越大.     

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。     

粗糙表面的气体密封性能研究

高精度的气体密封是现代工业和国防工业的关键技术之一,以粗糙表面干接触气体静密封问题为研究对象,基于自回归(Autoregressive,AR)时间序列的数字滤波技术,利用计算机生成具有给定自相关函数和纹理取向的高斯分布的数值化粗糙表面,根据气体在微纳米粗糙表面间隙流动理论,建立粗糙表面静接触间隙气体密封模型,通过对气体在接触间隙流动的数值模拟,分析表面粗糙度纹理方向、方均根等粗糙表面表征参数在名义气体膜厚变化时对气体泄漏量和密封压力的影响,给出粗糙表面形貌参数和密封压力与气体密封性能之间的关系.在粗糙间隙雷诺方程中引入两个气体压力流动流量因子,使得随机雷诺方程变为普通雷诺方程,从而方便工程应用.以某低温气体密封阀为例,分析泄漏量与密封载荷、表面粗糙度参数等参数之间的关系,从而为阀门密封设计提供理论基础.     

粗糙表面间密封性能研究进展

在微观尺度下的静密封界面表面形貌是粗糙不平的，两粗糙表面上的微凸体在载荷作用下会接触形成孔隙；随着接触压力的减小或观察尺度的增加，当孔隙增加到一定数量时孔隙之间会相互连通形成泄漏通道，影响密封性能。现有的粗糙表面密封分析基于均化思想、逾渗理论和多孔介质思想等方法建立泄漏通道模型，考虑表面粗糙度、表面纹理以及表面载荷等对密封性能的影响。对现有的粗糙表面间密封性能的研究现状进行综述，分析现有的粗糙表面密封研究方法存在的不足之处，指出粗糙表面间密封研究可能的方向，为进一步研究粗糙表面密封机制提供了参考。     

基于混合润滑模型的往复密封动特性研究

为研究往复运动密封性能,采用MatLab数值方法建立一种混合润滑模型,该模型包含弹性力学、流体力学和接触力学分析。基于混合润滑模型,研究粗糙度和往复速度对动态往复密封摩擦力、泄漏量和油膜厚度等密封性能的影响规律,揭示液压往复密封机制。结果表明:往复运动密封圈处于混合润滑状态,接触区不仅有流体压力,还包含粗糙度接触压力;存在临界粗糙度σ_c和临界速度u_c,当粗糙度σσ_c时,随粗糙度的增大内行程的泄漏表现为越来越小的内泄漏,当σ≥σ_c时,随粗糙度的增大内行程的泄漏表现为越来越大的外泄漏;当速度uu_c时,净泄漏量随速度的增大表现为越来越小的外泄漏,当u≥u_c时,净泄漏量随速度的增大表现为越来越大的内泄漏;随着粗糙度的增加,膜厚与内行程的摩擦力增大,而外行程的摩擦力无明显变化;随着速度的增加,油膜厚度增加,内行程摩擦力减小,而外行程摩擦力变化很小。     

气体加载式表面接触静密封实验装置研究

表面接触静密封实验装置用于研究静密封介质流经接触表面的泄漏情况,在紧密接触状态下,密封介质泄漏量低、实验周期长,严重降低了实验效率。文中提出了一种具有气体加载式功能的表面接触静密封实验装置,通过气体压强驱动密封液体通过密封面泄漏,有效缩短实验周期,提高实验效率。实验结果证明气体加载的实验方法与传统密封实验方法具有良好的一致性。     

表面粗糙度对矩形动密封特性的影响

基于耦合了密封圈的弹性变形、流体动力分析和过盈接触的密封性能数值计算流程,利用Matlab 软件编程实现矩形动密封特性的数值计算,得到矩形密封圈的油膜厚度、泄漏量及摩擦力等密封性能参数,分析表面粗糙度对矩形密封圈的润滑状态和泄漏量的影响。结果表明：往复运动速度一定时,随着密封圈粗糙度的增加,密封偶合面的润滑状态由流体润滑转变为润滑润滑状态,密封的泄漏量也呈几何式增加,说明粗糙度对密封圈的工作寿命和密封性能有较大的影响;往复运动速度也是影响矩形密封圈密封性能的关键工作参数之一,密封压力一定时,随着粗糙度的增加,不发生泄漏的临界速度降低。     

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。     

基于逾渗理论的接触式机械密封泄漏特性分析

以接触式机械密封动、静环接触界面为研究对象,分析其表面微观形貌中的自仿射分形特性,结合逾渗理论,对密封端面泄漏通道特性进行理论分析,并利用Fluent软件对微通道内的流体流动进行数值模拟,探讨机械密封的端面载荷、表面形貌参数对泄漏量的影响。研究结果表明,密封端面的泄漏量随密封端面分形维数的增加而降低;在某一确定分形维数下,随着表面轮廓尺寸系数的增大,泄漏率也相应增大;端面比载荷对机械密封泄漏率的影响存在但并不显著。逾渗理论是一种研究多孔介质的强无序及随机几何结构端面特性的较好方法,对实现机械密封工作状况的正确判断,指导机械密封件的设计、制造、使用和维修具有一定的指导意义。     

基于流动因子的高压柱塞副往复密封性能研究

采用数值计算方法,建立了基于平均流动因子的往复密封混合润滑模型。分析了阶梯形组合密封圈表面粗糙度对其往复密封摩擦力、泄漏量和油膜厚度的影响规律。结果表明:内行程摩擦力随粗糙度的增大而增大,而外行程摩擦力无明显变化。存在临界粗糙度σ_c,当σσ_c时,随粗糙度的增大,内行程向内的剪切流量大于向外的压差流量,内行程泄漏量为正值,表现为越来越小的内泄漏;当σ≥σ_c时,随粗糙度的增大,内行程向内的剪切流量小于向外的压差流量,内行程泄漏量为负值,表现为越来越大的外泄漏。随着速度的增大,其临界粗糙度随之增大;随粗糙度的增大,平均油膜厚度增大,而粗糙度对量纲一化油膜厚度影响很小。研究方法为往复密封结构设计与优化提供了依据。     

Analysis of the influence of loading and the plasticity index on variations in surface roughness between two flat surfaces

Contact between two highly loaded flat surfaces is examined. In these experiments, a polished, hard metal surface was pressed against a rough aluminium alloy surface. The goal of the experiments was to flatten the peaks on the rough surface by plastic deformation. The experiments elucidated the relation between the normal load and the plasticity index, ψ, and the plastic deformation of the surface roughness peaks in the softer material. The results showed a significant reduction in surface roughness. Increasing the load caused a gradual reduction in the surface peaks. However, based on the values of the plasticity index ψ, it can be concluded that the peaks of the softer material underwent plastic deformation, regardless of the load.     

Elastic–plastic adhesive contact of rough surfaces with asymmetric distribution of asperity heights

The elastic–plastic adhesive contact of rough surfaces is extended to include asymmetric distribution of asperity heights using the Weibull distribution with skewness as the key parameter to characterize asymmetry. The well-established elastic adhesion index and plasticity index are used to consider the different conditions that arise as a result of varying load and material parameters. The loading and unloading behaviour for different combinations of adhesion index, plasticity index and skewness values are obtained as functions of mean separation between the surfaces. It is seen that surfaces with negative skewness experience higher adhesion compared to surfaces with positive or zero skewness.     

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.     

Elastic–plastic adhesive contact of rough surfaces based on plastic asperity concept

The paper describes an analysis of adhesive contact between rough surfaces with small-scale surface asperities using an elastic–plastic model of contact deformation based on fictitious plastic asperity concept developed by Abdo and Farhang [Int. J. Non-Linear Mech. 40 (2005) 495]. The model considers simultaneous occurrence of elastic and plastic behaviours for an asperity. The well-established elastic adhesion index and plasticity index are used to consider the different contact conditions that arise as a result of varying load and material parameters. The load-separation behaviour for different combinations of these parameters is obtained. Comparison with previous elastic–plastic model that was based on elastic-then-plastic assumption is made showing significant differences.     

Static plastic behavior of a strand

The static plastic collapse of a single strand which is idealised as m bars with circular cross-sections and helical axes has been examined using the limit theorems of plasticity. An exact theoretical solution which retains the influence of contact forces was obtained for a strand subjected to an axial load accompanied by a torsional moment.     

管路连接件粗糙表面接触力学与密封性能分析

为研究真实管道连接件在拧紧力矩作用下的接触状态和密封机制,从而有效控制管路密封性能,以真实管路连接件为研究对象,对粗糙接触表面真实接触形貌数据进行实测,通过逆向建模工程建立粗糙接触表面有限元模型,利用有限元仿真分析方法得出真实接触面积比与平均接触应力的关系。结果表明,在开始施加位移载荷时同时发生弹性与塑性变形,随着载荷的增加,发生塑性变形区域越来越大,形成真实接触区域部分也逐渐增加。基于逾渗理论对接触界面进行栅格化模型模拟,通过寻径算法得出接触界面达到密封时所需要的最小真实接触面积比,结合仿真结果得到管路连接件接触表面达到密封时所需要的最小接触应力值。研究结果为管路连接件密封性能仿真分析提供重要密封评判指标,也进一步通过仿真分析得到管接头密封条件下的最小拧紧力矩提供参考。     

The Contact of a Compliant Curved and a Nominally Flat Rough Surfaces

The contact problem of a compliant curved beam loaded by a rigid flat surface is analyzed. This problem is typical of compliant metallic configured seals and electrical connectors. Both the elastic deformation of the curved beam and elastic-plastic deformation of the asperities are considered. A model for calculating the contact parameters like minimum separation, contact length and real area of contact is developed. The effect of the applied load as well as the plasticity index and other geometrical variables on the various contact parameters is investigated. It is shown that, contrary to common intuition, smaller radius of curvature is beneficial for both the sealing and electrical connector applications.     

A model for the mild ratchetting wear of metals

A mechanism of metallic wear is proposed in which laminar wear debris is generated by a process of plastic ratchetting brought about by repeated pummelling of the softer wearing surface by the asperities on a harder mating surface. Wear rate is found to be approximately proportional to (load) and an increasing function of a single non-dimensional parameter termed the plasticity index for repeated sliding which relates the roughness of the hard surface to the limiting elastic strain of the softer wearing surface. For small values of this parameter the wear rate becomes negligibly small and a shakedown state obtains in which the deformation of the surface is entirely elastic and ratchetting effectively stops. The hardness of the wearing surface and the coefficient of friction at the interface influence the wear rate through their influence on the value of the plasticity index.     

金属O形环密封结构的泄漏模型研究

基于分形理论的金属垫片泄漏模型,改进了密封面的接触模型,综合考虑了密封面微凸体的完全弹性、第一弹塑性、第二弹塑性和微凸体大小分布的域扩展因子;分析金属O形环密封接触宽度与设计压缩率的关系,推导出金属O形环密封结构的泄漏模型,并进行验证分析。结果表明:压缩率在一定范围内,接触宽度随压缩率的增加而逐渐增加;但当压缩率超过一定值后,O形环发生塌陷,导致接触宽度迅速减小;各压缩率下计算得到的泄漏率与试验结果在同一量级,说明建立的泄漏模型适用于金属O形环密封结构泄漏率的预测。