粗糙表面接触问题的数值计算研究

基于Ausloos和Berman提出的推广的W-M函数对具有不同粗糙度参数的分形表面进行仿真模拟.同时,基于前人的理论研究,在模拟的分形粗糙表面基础上建立了微尺度粘着弹塑性接触模型.通过数值模拟,得到了给定条件下各个微凸体上的载荷、真实接触面积、接触斑点尺寸和平均接触压力的分布情况.建立的模型考虑各个微凸体具有不同的峰顶曲率半径,当变形足够大时考虑微凸体间的相互作用,因而较前人建立的模型更符合工程实际,同时也对与分形特征相关的摩擦学模型的进一步研究具有一定的指导作用.     

粗糙表面接触的弹性、弹塑性、塑性分形模型

在M－B模型的基础上考虑了材料的弹塑性变形过程和接触界面磨擦的作用建立了粗糙表面接触的弹性、弹塑性、塑性分形模型。分析表明,M－B模型适用于理想的弹性－塑性材料;磨擦副接触界面间的磨擦力对接触状态有较大的影响。磨擦力的作用使临界弹性接触面积增大,从而增大了弹塑性和塑性菜的可能性以及实际接触面积中弹塑性和塑性接触面积的比例;材料的应变硬化程度对接触状态有一定的影响,硬化程度越高,接触状态越趋于弹性接触,硬化指数越大,硬化程度越弱,实际接触面积中弹塑性和塑性接触面积的比例越大。     

分形理论模型的摆线针轮的接触刚度研究

为了准确计算摆线针轮分形面的接触刚度,提出了一种考虑摩擦系数的分形模型。采用修正后的Weierstrass-Mandelbrot函数和微分几何建立了一种二阶抛物线法修形的摆线轮齿与针齿的二维粗糙表面的几何模型,该模型体现了在宏观和微观视野中以独特地形式表达摆线轮齿完全共轭齿廓与针齿的形貌特征;在啮合载荷作用下摆线针轮处于弹性变形阶段,引入了摩擦因子,计算微观层面中的两个粗糙接触面的接触刚度。计算实例结果表明: 摆线针轮分形面的接触刚度Kn随着轮廓上的啮合力F的增大而先保持平稳,再快速增长,最后向下倾斜状态。其中,表面粗糙度Ra增加和摩擦因子u增大,导致接触刚度Kn减小;修形系数a1的增加会放缓接触刚度Kn的增加。以LTCA模型建立的赫兹接触刚度相比,验证了摆线针轮分形模型的正确性,体现了接触刚度Kn求解时,从静态转化为动态过程,单一性转化为连续性的优势。     

一个新的干摩擦结合部法向接触阻尼方程

依照矫正分形几何学理论与Hertz法向接触力学方程,建立新柔性结合部法向接触阻尼方程.考虑变化凸起顶端曲率半径与连续载荷,推出一种求导函数但非偏导函数获取办法,构建2个凸起之间互相作用的法向接触刚度方程.研究结果表明:法向接触阻尼随着表面粗糙轮廓分形维数的增大而先下降后增加;当表面粗糙轮廓分形维数小于第一拐点时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增大而增大;当表面粗糙轮廓分形维数大于第一拐点时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增大而减小;法向接触阻尼随着法向接触载荷的增大而先减小后增大.仿真曲线图中的2个拐点和1个极小值点为干摩擦结合部接触参数的优化设计提供了依据.     

基于分形理论的机械密封干摩擦时端面接触特性的研究

针对碳石墨与碳化钨配对机械密封在干摩擦时端面的接触特性进行研究,在考虑动、静环材料属性,端面微凸体之间的相互作用,摩擦运动方向及摩擦热流的基础上,建立了3维粗糙实体与理想光滑刚体的转动摩擦热–力耦合模型,采用ABAQUS有限元分析软件对其瞬时干摩擦过程进行数值模拟.研究结果表明:粗糙端面的真实接触面积随外载荷的增大近似...     

超声电机定、转子接触微观力学模型

针对现有超声电机定、转子的接触模型未考虑表面粗糙度的影响,因而不能反映定、转子的实际接触状态这一问题,以定、转子接触的微观力学特性为研究对象,依据分形几何表征摩擦层表面的表面形貌,并通过实验确定了由摩擦材料构成的半球体的相对变形、相对接触面积和相对压力之间的函数关系.建立了考虑表面粗糙度影响的定、转子接触微观力学模型;基于力学模型计算实际接触点数、实际接触面积与总的预压力之间关系.研究结果表明,摩擦层的变形量、接触面积和相对压力之间的呈非线性关系,实际接触面积在名义接触面积的三分之一之内.     

非标法兰连接系统结构设计及应力分析

法兰、垫片、螺栓连接系统是压力容器及管道设计中的重要内容,同时也是工程设计及使用过程中容易出现问题的关键部位.由于工程应用需要,对公称直径为450 mm的非标管道法兰、垫片、螺栓以及阀门连接系统进行了设计,开发出膨胀石墨和0Cr18Ni10Ti两种材料覆合的新型垫片.同时,将该系统作为一个整体,考虑到法兰旋转、内压对法兰、垫片、螺栓以及阀门的受力与变形的影响,应用三维有限元技术,分析在螺栓预紧过程和加压过程中法兰连接系统的整体应力分布.结果表明,法兰、螺栓等的应力强度满足要求,垫片应力及残余压紧压力满足密封要求,设计的非标法兰连接系统结构合理,应力分布均匀,使用情况良好.     

基于有限元分析的高温管道法兰密封设计

针对石油化工领域内设备的管道法兰连接系统的泄露问题,为提升其安全性,提出了一种法兰密封的设计方法。以某试验台高温管道处的法兰连接系统为研究对象,根据Taylor-Waters法对该连接系统垫片处进行紧密性分析,建立该连接系统的三维有限元模型。进而,对该连接系统进行温度场分析以及对该系统各部件的法兰连接不连续部位进行沿路径的线性化分析,得到法兰、螺栓、垫片的稳态温度场分布。结果表明：法兰内外壁温度具有沿半径方向逐渐降低,沿轴线方向呈先增后减趋势等规律。其次,根据《钢制压力容器——分析设计标准（2005年确认）》,对法兰接头进行强度评定,可知不同工况时,上下法兰、螺栓与垫片应力分布云图均具有对称性,且经多次应力评定,该法兰与螺栓的强度均能满足要求。最后,对垫片作路径分析,得各工况下的垫片压应力均远大于其初始密封比压,该垫片具有良好的密封性。     

各向异性粗糙表面的接触性能研究

本文通过对Onions-Archard的理论接触模型进行扩展,研究了由指数衰减可分自相关函数和高斯高度分布函数模拟的各向异性粗糙弹性表面和光滑表面接触时的接触性能,将粗糙表面润滑效应研究中常用的表面模拟方法和粗糙表面接触性能研究的理论模型联系了起来。在单个微凸体接触参数计算中,引进了适当的近似公式,简化了不同椭圆比时的接触参数计算,计算结果表明,当椭圆比1/γ>1时,各向异性粗糙表面的接触载荷,接触面积和平均接触压力均小于各向同性粗糙表面的值。     

理想粗糙表面的弹性全接触研究

在边界润滑（两个固体表面之间仅被一层物理或化学吸附膜隔开）条件下,两个粗糙表面发生滑动接触时,真实接触面积Ａ,通常远小于名义接触面积Ａｎ,但对于σ／β值较小的平缓表面,真实接触率Ａｒ／Ａｎ会很大,甚至发生全接触。这种情况易使表面发生粘着破坏,根据Ｓａｙｌｅｓ的滑动状态图以及理想粗糙表面接触力学模型,考察粗糙表面发生全接触的条件,给出在确定载荷上粗糙表面安全滑动接触时,表面斜率均方根值σｍ的变化范围