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.     

具有连续光滑特性的结合面接触刚度模型

结合面接触刚度直接影响着机械系统的静、动态力学性能和精度保持性水平.基于微凸体在弹性、弹塑性以及完全塑性接触变形过程中,接触刚度具有连续、光滑特性的思想,首先提出利用Hermite多项式插值函数,来弥补单一微凸体接触刚度建模时存在的不连续等缺陷,建立了具有连续光滑特性的单一微凸体接触刚度新模型;然后基于统计学方法,建立了结合面的法向接触刚度模型;最后将所建模型与GW、ZMC、KE和BRAKE模型进行对比分析.结果表明:本文模型实现了单一微凸体接触刚度在不同接触状态之间连续且光滑地转变;对于光滑表面形貌,基于GW、ZMC、KE以及BRAKE模型预测的接触刚度与本文模型结果的差异较小,其中本文模型最接近于纯弹性的GW模型;当表面粗糙度增大时,GW模型与其他几种模型的差异逐渐增大,此时本文模型与考虑微凸体多种变形阶段的ZMC模型吻合较好;再次表明载荷与表面粗糙度是影响刚度的两个主要因素,即随着载荷的增大或表面粗糙度的减小,接触刚度递增.     

基于不同微观固体接触模型的轮轨表面变形特性分析

针对轮轨表面接触变形问题,采用不同的统计型微观固体接触模型,即Greenwood-Williamson （GW）模型,Chang-Etsion-Bogy （CEB）模型和Zhao-Maietta-Chang （ZMC）模型,研究轮轨接触表面变形特性。利用Newton-Raphson方法对微观固体接触模型公式进行求解,并同时求解间隙方程和载荷平衡方程。考虑不同粗糙度和不同塑性指数下各微观固体接触模型的压力分布情况,以及接触半径随载荷的变化情况。并将不同微观固体接触模型的结果和Hertz模型结果对比,结果表明弹塑性微观接触模型（CEB,ZMC）比弹性模型（GW）有着更小的接触压力以及更宽的接触半径,最大压力均小于最大Hertz接触压力,接触半径均大于Hertz接触半径。     

计及弹塑性及硬度随表面深度变化的结合部单次加载模型

基于分形几何学理论和传统统计接触力学理论的无缝连接,考虑微凸体由弹性变形向弹塑性变形以致最终向塑性流动转化的过程,架构结合部单次加载模型。在此基础上,应用带一个随机相位的Weierstrass-Mandelbrot函数构建粗糙表面的微观几何学形貌。数值仿真曲线图显示,法向总接触载荷随着实际接触面积的增加而微凸弧式增加,在相同实际接触面积下,法向总接触载荷随着分形粗糙度的加大而变大;实际弹塑性接触面积占实际接触面积的百分率随着实际接触面积的增加而凹弧式减小;法向弹塑性接触载荷占法向总接触载荷的比例随着实际接触面积的增加而凹弧式减小,随着分形粗糙度的减小而变小;法向总接触载荷随着分形维数的加大经历首先增加然后减小,随后再增加最后再减小的2次循环过程;随着分形维数的增加,法向弹塑性接触载荷占法向总接触载荷的百分比先减小后增加;实际弹塑性接触面积占实际接触面积的比值随着分形维数的变大先减小后增加;忽略弹塑性变形的CEB模型会导致预测的法向接触力大于弹塑性模型,CEB模型法向接触力与弹塑性模型的相对误差为4.798%~56.58%。结合部单次加载模型可为粗糙表面弹塑性接触的精确求解提供一定的理论基础。     

粗糙界面法向接触理论模型与实验结果对比研究

目前粗糙界面接触问题的理论模型和实验研究基本是相互独立的,为此将典型粗糙面的法向接触理论模型与接触力学实验结果进行了系统的对比研究。理论模型考虑了经典的GW模型、CEB模型和ZMC模型及基于非线性有限元的KE模型和JG模型。实验方法考虑了准静态实验、接触共振实验和超声测量实验。结果表明:法向接触过程中,随载荷的增大,界面微凸体塑性变形贡献增大,考虑微凸体塑性变形的模型预测值与实验结果差别较小;相同法向载荷时,随着塑性指数增大,不同模型预测的位移差别增大;同时存在某一塑性指数区间,该区间内理论模型与实验误差最小;超声测量结果准确性依赖于所选择的接触刚度反演模型,改进的反演模型可缩小与理论模型的误差。     

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。     

考虑微凸体相互作用的机械结合面接触刚度模型

为准确预测两粗糙表面的接触刚度,围绕考虑微凸体间发生相互作用时的法向结合面接触问题展开研究。基于圣维南原理和勒夫方程,建立微凸体相互作用所引起的局部变形量与局部接触载荷、两表面间压强、材料属性参数之间的函数关系;将其代入KE弹塑性接触模型中,建立考虑微凸体相互作用的KE接触刚度模型,并提出数值迭代方法进行求解;之后,分析在不同塑性指数下微凸体相互作用对接触载荷、面积、刚度间关系产生的影响规律,并给出考虑微凸体相互作用的KE及ZMC模型接触刚度对比。研究表明:微凸体相互作用对于两表面间平均距离与接触载荷的关系有着明显的影响,这使得真实接触面积与接触刚度与原未考虑微凸体相互作用的KE模型有明显差异,且随着塑性指数的增大,差异随之变小。最后,通过试验对考虑与未考虑微凸体相互作用的KE及ZMC模型接触刚度计算结果进行验证,试验对比分析表明:建立的考虑微凸体相互作用的KE接触刚度模型更加贴近试验结果。     

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。     

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。     

考虑弹塑性阶段的结合面法向接触阻尼分形模型

结合面法向接触阻尼建模时,只考虑微凸体弹性变形时的弹性能和塑性变形时的损耗能是不完全的,因为微凸体存在弹塑性变形情况。将微凸体弹塑性变形时的法向接触载荷"分离"为弹性载荷和塑性载荷两部分,得到微凸体弹塑性变形时的弹性能和损耗能,建立更加完善、合理的结合面法向接触阻尼模型。将结合面法向接触动力学模型等效为弹簧和黏性阻尼器,建立包括微凸体三种变形状况的结合面法向接触阻尼损耗因子和法向接触阻尼系数的解析模型,并量纲一化处理。仿真结果表明,分形维数D和分形粗糙度G~*是影响结合面法向接触阻尼损耗因子和法向接触阻尼系数的最主要参数。在塑性指数f不变,D小于拐点值(D=1.56)时,法向接触阻尼系数随着G~*的增大而增大;当D超过拐点值时,G~*越大,法向接触阻尼系数减小。当G~*不变,D1.66时,?越大,法向接触阻尼系数越小;当D1.66时,法向接触阻尼系数随?的变化很小。利用线轨滑台模态试验验证所建模型的准确与可靠性。     

机械密封环端面各向异性分形接触分析

在 M-B 分形接触模型的基础上,建立机械密封环端面各向异性的数学模型。在考虑表面各向异性的情况下,分别利用弹性力学和分形接触模型相关原理求出端面接触载荷和弹塑性接触面积,分析表面纹理参数、端面接触载荷和接触面积三者之间的关系。结果表明：当施加一定的接触载荷时,随着表面纹理参数增大,真实接触面积增大,但增速逐渐变缓,弹塑性接触面积的比值在增大;在表面纹理参数不变时,随着真实接触面积的增加所需的接触载荷增大,但增加速逐渐变缓,弹塑性接触面积的比值随着接触载荷的增大而增大。在粗糙表面各向同性和各向异性两种情况下,接触载荷与接触面积的变化趋势是一致的,但考虑表面各向异性时,能更好地反映出真实粗糙表面各个参数之间的关系。     

微观随机粗糙表面接触有限元模型的构建与接触分析

基于相关文献提出粗糙表面模拟方法,通过软件工具在ANSYS中建立微观粗糙表面接触有限元模型,利用该模型分析载荷对弹塑性变形和接触面积的影响。结果表明:随着正压力的增大,粗糙表面上不断地有微凸峰与平面发生弹性接触变形,接触斑点(或接触斑点群)的数目逐渐增加,斑点中心区域的弹性变形很快达到最大,微凸峰负荷变形的同时也使斑点四周区域受到挤压;初始接触时,轮廓高度较大的微凸峰率先发生弹性变形,随着压力的增大,金属材料所受应力达到屈服极限同时粗糙表面的弹性变形和塑性变形的集中区域不断增加,真实接触面积不断增大;接触区数目的增多和接触区面积的增加都可以导致接触面上真实接触面积增加;随着压力的增大,真实接触面积的增大并不是由于接触区数目的增多,而是微观接触区面积的增大。     

工作参数对接触式机械密封端面接触特性的影响

为研究和掌握接触式机械密封端面接触特性,通过模拟计算分析了工作参数对其特性的影响。结果表明,在密封端面间真实接触面积中,弹性变形微凸体接触面积所占比例最大,塑性变形微凸体接触面积所占比例最小;随着弹簧比压的增大,弹性接触面积比近似呈线性增大,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比近似呈线性减小;随着密封介质压力的增大,弹性接触面积比增大,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比减小;随着转速的增大,弹性接触面积比逐渐减小,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比逐渐增大。     

机械结合面法向接触刚度分形理论模型

基于分形理论同时考虑微凸体的弹性、第一弹塑性、第二弹塑性、完全塑性四个阶段的变形状态,得出单个微凸体在各变形阶段的接触刚度模型,从而得出影响单个微凸体法向接触刚度的相关参数。引入频率指数并得出各变形阶段频率指数的临界值,推导出频率指数值处于不同区间时结合面的接触刚度模型。模型仿真结果表明,分形维数D取1. 1～1. 9时,随着D值的增大,无量纲法向接触刚度的值单调增大;微凸体频率指数处于各个区间时无量纲法向接触刚度的值随法向实际接触面积的增大均增大。     

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.     

结合面静摩擦因数尺度关联三维分形模型

针对现有结合面静摩擦因数分形模型的静摩擦因数随结合面法向接触载荷增大而增大,与试验研究结论及统计模型不一致的问题,基于尺度等级定义微凸体的大小,严格区分微凸体高度与变形,构建各尺度等级微凸体的法向接触载荷与接触面积之间关系及其发生弹性和弹塑性第一变形时所能承受的最大切向载荷即最大静摩擦力计算模型,进而建立结合面法向接触载荷与最大静摩擦力计算模型,在此基础上,依据结合面静摩擦因数定义,提出与微凸体尺度等级关联的考虑微凸体完全弹性、弹塑性和完全塑性三种变形机制的结合面静摩擦因数三维分形模型,数值仿真分析了结合面静摩擦因数与法向接触载荷和分形维数D等的关系,结果表明结合面静摩擦因数随着结合面法向接触载荷的增大而减小,随着分形维数的增大而增大,并试验实例验证了所建模型的正确性,解决了现有结合面静摩擦因数分形模型与统计模型和试验结果之间的不一致性.     

考虑硬度变化的结合面法向接触刚度分形模型*

基于分形几何理论,考虑微凸体因应变硬化而造成弹塑性变形阶段硬度随变形量变化而变化,建立结合面第一、第二弹塑性变形阶段单次加载刚度分形模型。推导出在计入硬度变化的情况下,单个微凸体在弹塑性变形阶段法向接触刚度与接触面积之间的关系式,进而得出结合面在弹塑性变形阶段法向接触刚度与接触面积、接触载荷之间量纲为一的关系式,并通过仿真分析得出相关参数对结合面法向接触刚度的影响。仿真结果显示:考虑硬度变化时,结合面量纲一法向接触刚度的值与法向实际接触载荷、实际接触面积之间存在关系;结合面法向接触刚度随着分形维数D的增大而增大;分形维数一定时,结合面法向接触刚度随表面长度尺度参数G值增大而增大。     

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。     

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。     

考虑氧化作用的CMP接触去除模型分析

针对目前大多数化学机械抛光(CMP)材料去除模型没有考虑到氧化薄膜作用的现象,提出一种考虑氧化后的芯片与磨粒之间的接触模型,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过程,并将该模型与传统的塑性去除模型进行了对比分析。结果表明:低压CMP精抛过程中,磨粒在外载荷的作用与氧化后的芯片表面发生接触去除,且随着工作载荷的增大,芯片表面的压痕深度、卸载回弹量、最大应力和材料去除量也随之增大;当载荷为1200-4250n N时,芯片弹塑性接触去除率小于传统理想塑性接触去除率;当载荷约为1650n N时,相对误差达到最大值28%。因此,氧化后的芯片与磨粒并非简单的塑性去除,考虑氧化后的芯片去除将更有利于后续精确地统计实际CMP去除率,为进一步优化CMP工艺提供一定的理论基础。