粗糙表面微凸体对液黏传动的影响

为研究液黏传动过程中粗糙表面的承载特性,将分形理论引入到两粗糙表面摩擦过程之中,分析传动过程中混合摩擦和边界摩擦两阶段的微凸体承载过程,考虑微凸体弹塑性变形,对M-B模型进行修正,建立修正的微凸体承载模型。建立基于修正M-B模型的微凸体承载模型。通过数值仿真得到有效面积系数、分形参数对液黏调速离合器传动过程的影响规律;对修正的微凸体承载模型的计算结果与M-B模型的计算结果进行对比分析。结果表明:微凸体接触载荷和传递转矩随着面积比的增大而增大,当有效面积系数与尺度系数增大时,接触载荷与传递转矩均有所增大;分形维数为1.5时,微凸体接触载荷与传递转矩最小且随面积比的变化最为缓慢;在整个接触区域内,弹性变形区域的面积、接触载荷以及传递转矩最大,其次是弹塑性变形区域,塑性变形区域最小;考虑弹塑性变形时,微凸体接触载荷与传递转矩均有所下降;修正M-B模型和M-B模型间的修正系数范围在25%以内,修正系数随着有效面积系数、尺度系数的增大而增大,随着分形维数的增大而减小。     

基于分形理论的重载湿式离合器接合特性研究

为了进一步提高和改善重载湿式离合器在使用过程的接合特性,结合分形几何理论建立重载湿式离合器接合特性计算模型,最后通过理论与试验手段获得重载湿式离合器摩擦副接触区域微凸体接触面积、分形维数及轮廓幅值尺度因素等对接合摩擦力的影响规律及湿式离合器摩擦温升变化规律。分析结果表明,不考虑微凸体作用分形维数与实际接触面积的增加,将会使湿式离合器摩擦力增加;考虑微凸体作用分形维数与实际接触面积的增加,将会使湿式离合器摩擦力降低;对于摩擦副接触面幅值尺度因素,随着其降低,将会导致各工况下摩擦力与最大温升变化幅值上升;通过试验验证,分形理论下理论计算结果与试验测定结果基本吻合。     

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。     

基于分形理论的结合面微观接触特性分析

为了研究结合面微观接触特性,基于分形理论,建立粗糙表面轮廓模型,进行结合面接触趋近耦合研究。通过二维粗糙表面与光滑表面微观接触趋近过程的仿真分析,研究分形维数、表面粗糙度、位移载荷对结合面接触状态的影响机理。提出利用激光声表面波检测粗糙结合面接触的方法,并进行了实验验证。研究结果表明,粗糙表面微凸体形貌是决定材料接触性能的关键因素;微凸体接触形成的真实接触面积远小于名义接触面积。工程问题中,通过名义接触面积计算出的载荷与材料表面实际承受的载荷存在较大差异。     

基于分形理论的滑动摩擦表面接触力学模型

依据分形理论,考虑微凸体变形特征及摩擦作用的影响建立滑动摩擦表面接触力学模型。采用一个三次多项式来表达弹塑性变形微凸体的接触压力与接触面积的关系,从而满足在变形状态转变临界点处的微凸体接触面积与接触压力转化皆是连续和光滑的条件。推导出滑动摩擦表面临界弹性变形微接触面积、临界塑性变形微接触面积、量纲一真实接触面积的数学表达式。理论计算结果表明,表面形貌一定时,真实接触面积随着载荷的增大而增大;载荷一定时,真实接触面积随着特征尺度系数的增大而减小,随着分形维数的增大先增大后减小;当表面较粗糙时,摩擦因数对真实接触面积的影响很小;随着表面光滑程度的增大,摩擦因数对真实接触面积的影响增大,真实接触面积随着摩擦因数的增大而增大,特别是当摩擦因数较大时,真实接触面积增大的幅度也较大。接触力学模型的建立,为研究滑动摩擦表面间的摩擦磨损性能提供了依据。     

基于域扩展因子和微凸体相互作用的结合面接触刚度模型研究

结合面接触刚度直接影响了机械设备的整机动态特性,为了建立更为准确的接触刚度模型,以分形几何理论为基础,利用单一微凸体承受局部载荷时的弹性变形特性,并基于域扩展因子引入微接触截面积分布函数,推导了考虑表面微凸体相互作用影响的结合面接触刚度分形模型。为了验证所提出模型的准确性,通过三维非接触式测量,获得了试验试样的表面轮廓数据,并根据结构函数法,计算了各个试样的表面分形参数,进而将理论接触刚度与试验结果对比分析,结果表明：法向接触刚度的增长速率与粗糙面表面临界接触面积有关,临界接触面积决定了结合面内的弹性变形占比。考虑微凸体相互作用后,所提出模型的预测曲线更加符合试验中法向载荷与接触刚度的关系。     

考虑多尺度接触状态的新接触模型

提出了一种接触模型,模型的建立基于经典的Hertz接触力学理论和现有的分形接触模型。研究了单个微凸体接触状态随尺度序数n的变化规律,考虑了不同尺度序数n的影响而引入线性因子对模型进行修正,采用了与以往分布函数计算方法不同的思路,在此基础上对微凸体面积分布函数积分求和,获得了接触表面真实接触载荷与接触面积的关系。结果表明:单个微凸体的临界参数对接触参数有影响;微凸体的变形顺序为弹性,弹塑性,塑性变形,与传统的接触模型一致;线性因子与特征系数G,分形维数D有一定的关系;新的分布函数和线性因子的引入提高了接触参数的精度;考虑多尺度特性的新模型相比经典的GW模型,MB模型与Bhushan试验数据更接近,尤其在接触载荷较大时;与现有的考虑尺度因素的接触模型做比较,计算精度有了更进一步的提高。     

基于分形几何与接触力学理论的结合面法向接触刚度计算模型

基于分形几何理论和接触力学理论,用分形理论表征粗糙表面微凸体参数,考虑微凸体由弹性变形向弹塑性变形以至最终向完全塑性变形转化的过程,建立各变形阶段微凸体的接触刚度模型。在此基础上,提出机械结合面法向接触刚度计算模型,该模型揭示了在不同的塑性指数下,结合面法向接触载荷与法向接触刚度之间的关系。结果表明,在塑性指数较小时,微凸体的变形以弹性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为近似线性关系;随着塑性指数的增加,微凸体变形主要以塑性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为较强非线性关系。对已有的铣削加工和磨削加工情况下的结合面法向接触刚度试验结果,利用该模型进行数值计算、仿真和分析。结果表明:提出的模型更与试验曲线吻合。     

一种考虑粗糙结合面切向黏滑摩擦模型

提出一种描述粗糙结合面的跨尺度黏滑摩擦行为的参数化力学模型。将名义平面的接触问题视作服从随机分布规律的微凸体的接触问题。基于Mindlin弹性接触理论并采用KD(Kragelsky-Demkin)表面粗糙度描述形式,应用概率统计方法导出粗糙表面切向相对位移与作用力、结合面能量耗散之间的关系。将该模型计算结果与光滑表面接触模型结果进行对比,研究模型参数变化对结合面黏滑摩擦行为的影响。结果表明,提出的考虑粗糙表面接触的结合面黏滑摩擦模型能够描述结合界面的跨尺度黏滑摩擦行为;粗糙度参数对切向刚度和振荡激励的能量耗散有很大的影响。     

考虑基体变形的混合润滑结合面接触特性

为研究混合润滑状态下粗糙表面基体变形对结合面接触特性的影响,建立了考虑基体变形的结合面接触刚度模型。首先,通过单微凸体-基体系统模型分别求解微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法获得微凸体真实变形量;其次,基于分形理论建立结合面固体接触刚度模型,通过固体接触刚度获得液体介质的接触刚度。根据仿真结果分析了基体变形、粗糙表面形貌以及润滑介质对结合面接触特性的影响规律。结果表明:当真实接触面积一定时,通过新模型计算的法向载荷小于忽略基体变形的模型;在接触前期,结合面的接触刚度主要由液体介质接触刚度主导,随着真实接触面积的增加,液体接触刚度占总刚度的比率越来越小,最后转变为固体的接触刚度主导结合面的接触刚度。该模型为研究混合润滑状态下结合面的接触特性提供了理论基础。     

基于W-M分形函数的三维粗糙表面摩擦生热研究

将W-M分形函数引入风电制动器制动过程的摩擦生热研究中,根据W-M分形表面形貌的特点及利用其特有的自相似性,以Matlab软件模拟出粗糙表面的分形曲面形貌.通过Creo软件建立不同分形维数的粗糙表面模型,运用Abaqus有限元软件分析分形维数、相对滑动速度、施加载荷对粗糙表面制动过程中闪点温度和接触压力的影响.结果表明:随着分形维数增大,摩擦区域块状热区的数量减少,而点状热区的数量增多;相对速度越大时,接触区域最顶端的微凸体节点温度也越大,非接触区域温度上升速率也越快;施加载荷增大时,微凸体的最高闪温点的温度变化幅度不大,但会影响热区的数量大小与次闪温点和非接触点的温度.     

多尺度粗糙度对接触面真实接触面积的影响

当两个粗糙面在力的作用下相互接触时,只有表面上的微凸体相互接触。这些微凸体的接触影响着接触面的摩擦、磨损并且决定着两接触面之间的导电性和热传递功能。这些微凸体存在于各个不同的尺度下,并且形状也不相同。运用堆叠式多尺度接触模型对典型的加工表面进行分析,研究多尺度粗糙度对接触面真实接触面积的影响。结果表明,在塑性接触和弹塑性接触情况下,接触表面的多尺度粗糙度对于真实的接触面积和接触力均都有着很大的影响,不同表面之间的接触面积和平均接触压力以一个数量级的大小变化。研究结果表明某些加工工艺得到的表面或许更适合于作为设备中相互接触的表面。     

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。     

依据各向异性分形几何理论的固定结合部法向接触力学模型

基于各向异性分形几何理论,考虑微凸体变形特点、表面微凸体承受法向载荷的连续性和光滑性原理,以及区分微凸体分别处于弹性、塑性变形时的一个微凸体实际微接触面积,建立固定结合部法向接触力学模型。采用二变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟各向异性三维分形轮廓表面。推导出划分弹塑性区域的临界弹性变形微接触截面积、结合部量纲一法向载荷、结合部量纲一法向接触刚度的数学表达式。数值仿真结果表明：当表面形貌的分形维数、分形粗糙度一定时,真实接触面积随着结合部法向载荷的增大而增大;结合部法向接触刚度随着真实接触面积、结合部法向载荷、相关因子或材料特性参数的增大而变大;当分形维数由1变大时,结合部法向接触刚度随着分形维数的变大而增大;当分形维数增加到趋近于2时,结合部法向接触刚度有时却会随着分形维数的增加而降低。结合部法向接触力学模型的构建,有助于分析固定接触表面间的真实接触情况。     

法向加-卸载过程中弹塑性微凸体侧向接触能耗研究

针对法向加-卸载作用下双粗糙表面上微凸体接触阻尼能耗问题,提出弹性、弹塑性、塑性微凸体侧向接触能耗计算方法。基于微凸体接触球形假设,根据微凸体侧向接触受力分析,将其分解为垂直于微凸体接触点公切面的法向分力和沿该面的切向分力。采用HERTZ,ETSION理论,分别建立了加-卸载过程中微凸体发生弹性、弹塑性、塑性变形时,法向分力与变形之间关系;依据CATTANEO-MINDLIN黏着-滑移理论,BKE模型,ERITEN模型理论,建立了加-卸载过程中三个变形阶段的切向分力与位移之间关系。利用法向分力-变形和切向分力-位移之间的关系,求得微凸体在法向、切向分力共同作用下产生的应变能耗以及摩擦能耗,进而求得微凸体侧向微观接触在三个阶段下的能耗。研究表明,微凸体侧向接触时耗能包括应变耗能和摩擦耗能,且法向变形量越大,应变耗能、摩擦耗能越大;接触角度越大,应变耗能越大,摩擦耗能越小。     

耦合基体变形与微凸体相互作用的结合面刚度模型

针对螺栓结合面,提出一种新的弹塑性接触刚度建模方法。该模型不仅延续了微凸体具有连续光滑接触特性的思想,还揭示了基体变形和微凸体相互作用的耦合关系,提出一种新的弹塑性接触刚度建模方法。首先,根据多尺度理论和数理统计方法,建立了具有连续光滑接触特性的结合面法向接触模型;然后,通过建立单个微凸体-基体系统模型和多微凸体接触模型,探究了基体变形和微凸体相互作用的作用机理和耦合关系,并对结合面接触模型进行修正;最后,对比仿真结果和已有实验数据,验证了修正模型的正确性,并分析了基体变形和微凸体相互作用的影响程度。仿真结果表明：基体变形不仅影响了微凸体的接触变形,还会进一步引起微凸体间相互作用的发生;微凸体相互作用使得微凸体高度分布发生偏移,导致结合面局部高度平面下移;相比于基体变形,微凸体相互作用对接触刚度的影响显著,但表面粗糙度的影响依旧占主导地位。     

考虑摩擦和微凸体相互作用的结合面接触刚度和阻尼模型

基于三维分形理论,建立了同时考虑摩擦和微凸体相互作用影响的结合面法向接触刚度和接触阻尼分形模型。通过对所建模型仿真,分析了摩擦因数、分形维数、分形粗糙度参数和接触载荷对接触刚度和接触阻尼的影响。研究结果表明,该模型的接触刚度和接触阻尼随着法向载荷和分形维数的增大而增大,且会随着分形粗糙度参数的增大而变小;接触刚度随着摩擦因数的增大而减小,而接触阻尼则随着摩擦因数的增大而先增大后减小。另外将仅考虑微凸体相互作用和既无摩擦又无微凸体相互作用的情况进行了对比分析,进而得到当分形维数D=2.4时,微凸体相互作用会稍微增大接触刚度;当D≥2.5时,微凸体相互作用会减小接触刚度,且减小的程度越来越大;当2.4≤D≤2.9时,微凸体相互作用会减小接触阻尼。此外,将所建模型的仿真计算结果与实验数据进行对比分析,验证了所建模型的正确性。     

弹塑形变的结合面法向刚度分形模型及仿真

为了探索微凸体的更真实的变形状态,同时进一步完善结合面的接触刚度分形模型,对M-B分形模型进行了修正,分析了微凸体在弹性、弹塑性以及塑性各阶段的变形状态.从宏观和微观相结合的角度,建立了基于分形理论和赫兹接触理论的结合面法向刚度分形预估模型,该模型具有几何特性和尺度独立性.通过仿真分析揭示了相关参数对结合面法向接触刚度的影响.仿真结果表明:结合面法向接触刚度随着法向载荷、分形维数以及材料特性参数的增大而增大,分形维数对法向接触刚度的影响尤为明显;而结合面的法向接触刚度随着分形尺度参数的增大而减小.     

机床地脚低速滑动界面法向刚度分形模型及试验验证

按照一个弹性微凸体的平均接触压强构筑微凸体顶端接触变形。计及动摩擦因数计算微凸体最初屈服的临界平均压强。采用以无阻尼自然角频率为自变量的功率谱密度函数,给出识别界面分形维数、特征长度的理论和试验方法。仿真结果表明:微凸体最初屈服的临界平均压强随着动摩擦因数的增加而变小;分形区域扩展因数随着分形维数的增加而减小;微凸体最大结合面积随着分形维数的增加呈现线性减小;增加动摩擦因数、面积比和特征长度都将衰减法向接触刚度;法向接触刚度随着分形维数、接触面积的比率、法向接触载荷或微凸体最大结合面积的增加而增强。按照有限元模拟对界面法向接触参数识别结果进行证明。考虑界面参数的有限元模型得到的动柔度、法向接触刚度数据与试验数据一致。     

具有微织构形貌的结合面法向接触刚度分形模型的研究

研究微织构结合面上的表面形貌参数对结合面法向接触刚度的影响。根据微织构表面的形貌特征,将微织构表面分为织构前表面和织构区域两部分,由分形接触理论计算出织构前表面上微凸体的基本参数,忽略织构区域底部未接触部分,将微凸体在接触载荷作用下的变形分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。由接触力学理论,首先建立织构前表面上单个微凸体的法向接触刚度模型。然后由微观到宏观,结合微织构表面的织构形貌特征,构造整个宏观微织构结合面的法向接触刚度计算模型,研究不同的表面形貌参数对于微织构界面上法向接触载荷、微凸体因载荷产生的变形以及法向接触刚度的影响。经过仿真分析之后,结果表明,当微织构结合面的法向接触载荷不断增大时,结合面的法向接触刚度总体呈单调上升趋势;并且随着织构密度的增加,结合面上由于织构形貌的存在,使得一部分微凸体未产生变形,从而减小结合面的法向接触刚度,并且当法向载荷增加时,这种效果会更加明显;在相同的接触载荷下,塑性指数越高,处于塑性变形状态的微凸体就越多,从而使具有微织构形貌的结合面的法向接触刚度变大。