双粗糙平面法向接触建模方法的有限元对比分析

基于统计学方法,Greenwood和Tripp(GT模型)提出双粗糙平面法向接触(双粗模型)可以等效为单粗糙平面与刚性平板之间的接触(单粗模型),但这种等效处理缺乏对接触应力场分析以及材料硬化的考虑。为进一步研究GT模型,基于高斯粗糙表面数字化表征,通过控制自相关长度和滤波方法,得到双粗糙平面及其等效单粗糙平面;借助有限元软件ABAQUS对2组模型法向接触进行建模及分析。结果表明:2组模型预测的接触刚度和接触面积符合较好,但接触压力与接触面积关系存在差异;2组模型预测的等效应力和接触压强的应力幅值以及云图的分布区域大致相近,但双粗模型由于存在大量微凸体侧接触,弱化接触状态以及材料硬化,因而应力幅值偏低。     

滤波截止频率对粗糙表面接触机理的影响

使用基于快速傅里叶变换和共轭梯度法的扩展干接触程序,以及基于Greenwood和Williamson接触模型(G-W模型)的接触求解方法,分析滤波截止频率对粗糙表面接触机理的影响。结果表明,粗糙表面形貌数据再处理时使用的滤波器滤波截止频率,对力－接近量关系有着明显的影响;G-W 接触模型仅适用于波长较大的粗糙表面。因此,在G-W模型的各种应用中,应注意滤波截止频率对粗糙表面接触机理的影响。     

弹性状态下粗糙表面法向接触刚度的研究

粗糙表面接触问题是一类重要和具有实用价值的实际工程问题。采用Ｈｅｒｔｚ理论和粗糙表面随机接触模型, 研究弹性状态下粗糙表面法向接触刚度,推导出在不同接触体的法向接触刚度公式。由推导的理论公式可知,粗糙表面 在随机接触模型中接触刚度跟载荷成正比,与表面粗糙度均方值成反比     

弹性状态下粗糙表面的法向接触刚度

粗糙表面接触问题是一类重要和具有实用价值的实际工程问题。采用Hertz理论和粗糙表面随机接触模型,研究弹性状态下粗糙表面法向接触刚度,推导出在不同接触体的法向接触刚度公式。由推导的理论公式可知,粗糙表面在随机接触模型中接触刚度跟载荷成正比,与表面粗糙度均方值成反比。     

双粗糙面滑动摩擦热力耦合有限元分析

建立了双粗糙分形表面滑动摩擦的热力耦合模型,综合考虑了随温度变化的材料性能、材料的弹塑性变形及摩擦副的磨损失效等因素,以摩擦材料的性能参数及设定的材料损伤参数为实例对双粗糙分形表面滑动摩擦全过程的温度场、应力场及磨损进行了数值模拟,分析得到了滑动摩擦过程中摩擦界面最高接触温度、接触应力的分布、磨损率及其变化规律,实现了对双粗糙面摩擦磨损情况的模拟及预测。     

机床导轨表面接触模型的有限元分析

为寻求机床导轨结合面不同粗糙信息下的动态特性,分形粗糙表面数值模型和实测粗糙表面二者的相关性,需对各种相关参数下的粗糙表面进行接触分析。运用有限元分析软件ANSYS,针对粗糙表面三维模型,分析不同参数表面的接触行为,以期寻找出不同粗糙信息接触形态特征参数之间的关系,并证明分形数值模拟能真实表征工程粗糙表面。     

粗糙体变形特性对接触过程的应力与应变的影响

运用W-M函数生成分形粗糙表面,建立一个新的双粗糙体接触模型,采用有限元方法模拟仿真了在粗糙体不同变形特性条件下的接触过程,并分析了接触表面的应力分布及不同接触位置的塑性应变随深度的变化规律．结果表明双粗糙接触表面的应力主要集中在个别的较高微凸体上,其应力最大值出现在微凸体肩部区域的位置;等效塑性应变在不同位置沿深度的变化,呈现出不同的规律,微凸体顶部区域沿深度方向的最大等效塑性应变均发生在次表层,材料表层下的塑性应变将会导致材料表层中的夹杂或微观缺陷周围萌生微孔和裂纹源,对比不同变形特性的模型,得出弹塑性一刚体模型的最大应力及应变值都大于弹塑性一弹塑性模型。     

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。     

接触热导率数值预测研究

假设粗糙表面轮廓高度服从高斯分布,并将两粗糙表面间的接触等效为粗糙表面与光滑刚性表面的接触。由均方根粗糙度和平均凸峰坡度得出接触点的平均半径和单位面积内的接触点个数,分别建立了用圆柱体和圆锥台来表现接触粗糙峰的两种有限元模型,对接触热导率进行了数值预测。通过对比发现,用圆柱体来表现粗糙峰的模型计算出的结果与试验吻合较好,且其误差随界面载荷的增大而减小。     

真实粗糙表面接触模型的研究

真实工程表面并不是完全光滑的。当两物体相互接触时 ,真实表面实际上是微凸体间的接触。分析真实粗糙表面间的接触对研究摩擦、磨损和润滑起着非常关键的作用。合理地描述润滑状态和摩擦热边界条件也取决于对真实接触状态的求解。本文从 3个方面研究了粗糙表面接触计算模型的主要构成 :粗糙表面轮廓的描述、确定接触压力和表面位移之间关系的计算公式以及求解几何非线性接触问题的方法。最后给出了算例     

Effect of asperity interactions on rough surface elastic contact behavior: Hard film on soft substrate

An improved elastic micro-contact model of rough surfaces accounting for asperity interactions is proposed. The contact behavior of a single asperity system is composed of a stiffer hemi-spherical asperity deformation and bellowing softer substrate deformation, which is then extended to rough surface contact including asperity interactions. Using the solution of substrate deformation, normal positions of individual asperities are adjusted during quasi-static contact, from which surface interactive forces are obtained. Analytical simulations are performed using the proposed rough surface contact model, whose results are compared to Greenwood-Williamson-based models and with experimental measurements.     

规则粗糙固体表面液体浸润性对表观接触角影响的研究

在粗糙表面固液接触角的Wenzel模型和Cassie模型的基础上,考虑规则粗糙形貌中液体浸润性对表观接触角的影响,推导出了一种新的规则粗糙表面的表观接触角模型。数值分析结果表明,规则形貌的设计可以控制液体的浸润特性,以及固液表观接触角,其中微孔的孔深和孔分辨率等几何参数成为重要的控制参数。同时,我们进行了相关的实验验证。这种考虑液体浸润性的表观接触角模型,也提供了对表观接触角滞后现象解释的可能。     

Validation of a simplified numerical contact model

Surface roughness tends to have a significant effect on how loads are transmitted at the contact interface between solid bodies. Most numerical contact models for analyzing rough surface contacts are computational demanding and more computationally efficient contact models are required. Depending on the purpose of the simulation, simplified and less accurate models can be preferable to more accurate, but also more complex, models. This paper discusses a simplified contact model called the elastic foundation model and its applicability to rough surfaces. The advantage of the model is that it is fast to evaluate, but its disadvantage is that it only gives an approximate solution to the contact problem. It is studied how surface roughness influences the errors in the elastic foundation solution in terms of predicted pressure distribution, real contact area, and normal and tangential contact stiffness. The results can be used to estimate the extent of error in the elastic foundation model, depending on the degree of surface roughness. The conclusion is that the elastic foundation model is not accurate enough to give a correct prediction of the actual contact stresses and contact areas, but it might be good enough for simulations where contact stiffness are of interest.     

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。     

Investigation into the Normal Contact Stiffness of Rough Surface in Line Contact Mixed Elastohydrodynamic Lubrication

In this work, the statistical asperity microcontact models in combination with the acoustic spring model and the load sharing concept are utilized to study the interfacial normal contact stiffness for a rough surface in line contact elastohydrodynamic lubrication (EHL). Two different statistical microcontact models of Greenwood and Williamson (GW) and Kogut and Etsion (KE) are employed to derive the normal contact stiffness expressions for a dry rough line contact considering the purely elastic contact and the multiple regimes elastic–elastoplastic–fully plastic contact, respectively. The liquid film stiffness is calculated based on the relationship between film thickness and bulk modulus of the lubricant. The lubricant film thickness equations are employed in conjunction with the load sharing concept and the empirical formulas for the maximum contact pressure in a dry rough contact are fitted for the GW model and the KE model, to evaluate the relationship between film thickness and motion velocity for the purely elastic GW microcontact model and the multiregime KE microcontact model, respectively. The comparison with experimental results shows that the KE model predicts closer total contact stiffness results than the GW model. The stiffness contributions from the solid asperity contact and lubricant film are obtained and effects of surface roughness, applied load, motion velocity, and type of lubricant on the normal contact stiffness are analyzed.     

基于JKR模型的粗糙圆柱表面线黏着接触分析*

利用粗糙平面接触模型,假定表面单个微凸体的接触采用JKR黏着接触模型,同时考虑圆柱体表面的整体变形,建立了粗糙圆柱表面线黏着接触模型,推导出表面等效压力分布方程。把压力方程量纲一化,采用修正Newton-Raphson法对方程进行迭代求解,计算出粗糙圆柱表面存在表面力作用下的等效压力分布曲线。结果表明外载荷不小于零时,接触中心压力为正,微凸体被压缩;而接触边缘处压力为负,微凸体被拉伸,表明黏着区域主要分布在接触边缘。同时计算出接触半宽随外载荷的变化曲线,当外载荷为拉伸力并大于某一临界值时,表面分开。并且与经典的接触模型进行了对比,发现低载时模型之间的差别较大,而载荷比较大时趋于一致。