微滑移离散模型及在干摩擦阻尼叶片振动分析中的应用

建立了阻尼器干摩擦力微动滑移离散模型,该模型可以较好地描述摩擦界面粘滞-滑移共存状态和阻尼器因局部拉、压应变不同而产生的局部摩擦力方向的不同,适用于各种激振作用下的阻尼器动力学分析,克服了微动滑移解析模型仅适用于单谐波作用力的局限。采用时域法对简化的凸肩干摩擦阻尼结构叶片系统进行了强迫振动响应分析,验证了微动滑移离散模型在阻尼叶片动力学分析中的可用性。     

考虑软三体接触的粗糙界面混合润滑模型研究

软三体颗粒润滑是利用大量松散的固体软颗粒在界面中的承载和剪切行为实现特殊环境下界面的减摩,因此研究软颗粒介质摩擦界面在剪切过程中的受力情况,对软三体颗粒润滑机理的分析以及润滑装置的设计都具有重要意义。研究中将第三体颗粒类比为流体,基于雷诺方程、黏度方程、Greenwood和Williamson接触模型（G-W模型）等建立了含大颗粒粗糙界面的混合润滑模型。该模型中摩擦副的总载荷及总摩擦力由流体、微凸体和大颗粒三部分共同构成。通过采用有限差分法对上述物理模型进行求解分析,探究膜厚比、第三体大颗粒的质量浓度、粒径以及试件的表面形貌、弹性模量对三体接触界面的承载和摩擦力的影响情况,进而分析大颗粒粒径和接触表面粗糙度耦合时软三体接触界面的力学性能。基于对所构建的软三体接触界面混合润滑模型的研究可知：合理选择大颗粒质量浓度、粒径以及试件的表面形貌、弹性模量有助于提高承载、减小摩擦力,使得软三体颗粒流具有更好的减摩润滑性能。     

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。     

楔形间隙中受剪颗粒介质及表面多体接触的瞬态过程分析

应用显式有限元方法研究了颗粒介质在楔形摩擦副中的受剪切行为,其中下表面具有与颗粒介质尺度接近的连续凸峰。数值试验表明,显式有限元方法能够捕捉颗粒介质的受剪切行为、碰撞和挤压前后的应力分布、颗粒的塑性变形等。发现了当颗粒多体接触并形成强力链时,会使摩擦界面产生摩擦力和抬升力的峰值。同时探讨了不同的摩擦因数和材料硬度对颗粒介质的应力分布、摩擦力和抬升力的影响。      

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。     

金属滑动干摩擦条件下高频噪声的测试与分析

基于面-面接触旋转式滑动干摩擦系统,选用A3&45#钢为摩擦副材料,研究相对滑动速度,表面压力对高频摩擦噪声的影响和规律。运用ABAQUS有限元模态分析高频摩擦噪声产生的原因与机理。通过实验与模态分析发现,摩擦高频噪声易于发生在相对滑动速度较低处。A3&45#摩擦副,在面-面接触旋转式滑动干摩擦条件下,产生的高频摩擦噪声能量集中分布在7950 Hz,9200 Hz。验证了干摩擦条件下,摩擦高频噪声是由于摩擦界面形成类似"锤击效应"的微凸体之间的运动,使得摩擦力高频成分和系统固有频率耦合引起的系统不稳定现象。     

超高压斜盘式轴向柱塞泵柱塞副摩擦界面油膜固液耦合作用特性研究

作为液压传动系统核心动力元件的轴向柱塞泵,超高压化是其必然发展趋势与要求,然而超高压化会造成其中关键的柱塞副摩擦界面油膜形成显著的固液耦合作用,对柱塞副油膜的摩擦润滑与密封承载性能产生规律尚不明确的影响。为此,建立一种基于变形矩阵法的固液耦合作用求解方法,该方法基于有限容积法解算油膜流体润滑方程,基于有限元法实现摩擦界面变形计算节点规则化设置及变形矩阵精准计算,在此基础上建立柱塞副油膜弹性流体动压润滑数值计算模型,针对采用软硬配对的柱塞副63 MPa超高压工况下的摩擦界面油膜固液耦合作用特性进行研究,结果表明：固液耦合作用有助于减小柱塞副处轴向黏性摩擦力和泄漏流量,一个周期内柱塞副总周向黏性摩擦力大小基本不变但分布更为集中,导致产生了更大峰值的瞬时摩擦力;显著的结构变形产生于柱塞副摩擦界面两端局部位置处,因而对泄漏流量不造成影响,在超高压工况下经过软硬配对跑合,固液耦合作用有助于原本标准柱形铜套孔形成类似“喇叭口”的一种微观形貌,增大了柱塞与铜套孔的接触面积,增强了密封超高压油的能力,降低了接触应力。建立的模型及研究结果可为轴向柱塞泵超高压化设计提供指导。     

基于修正Iwan模型的螺栓结合面非线性建模研究

准确建立高保真的螺栓结合面非线性力学模型是分析高端装备的前提和基础。针对螺栓结合面的迟滞非线性力学问题,提出了一种修正Iwan模型的力学建模方法,使得传统唯象的Iwan模型各参数物理意义更加明确。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,通过考虑动态和静态摩擦因数的差异并利用库仑摩擦定律,将修正后的Iwan唯象模型与具体的法向接触模型联系起来,提出了新的螺栓结合面切向响应模型;最后,基于Matlab仿真和已有的试验数据,验证了所建模型的正确性,并探究了加载条件、塑性指数和动静摩擦因数比对结合面接触特性的影响。研究表明：一个周期加、卸载的能量耗散是随着位移幅值的增加而递增;相比于塑性指数,动静摩擦因数比的改变对结合面切向载荷的影响更为显著,在后续研究中需重点考虑;微凸体临界滑移力分布受其他因素的影响主要体现在接触微凸体的数目、峰值点的位置以及曲线收敛速度的改变。     

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。     

扭动微动摩擦力数值分析

为揭示扭动微动接触表面摩擦力分布规律及其对表面磨损的影响,进一步丰富和完善扭动微动损伤机理,基于试验中扭动微动摩擦扭矩的变化,利用ABAQUS用户子程序Fric引入动态变化的摩擦因数,对扭动微动表面摩擦力学行为开展数值模拟分析。摩擦扭矩数值模拟和试验结果的对比分析验证了数值模拟方法的正确性。接触表面摩擦力分布及与试验磨损形貌的对比分析表明:摩擦应力的剪切作用对表面材料损失起着至关重要的作用,不同滑移区摩擦应力分布不同,故呈现的磨痕形貌不同。     

热力耦合下微接触点塑性应变沿深度变化分析

在考虑粗糙实体弹塑性变形、热力耦合、微凸体间相互作用和摩擦热流耦合等影响下,运用有限元法数值模拟具有三维分形特性的粗糙面与刚性平面间滑动摩擦过程,分析了粗糙实体接触凸点塑性变形随深度变化情况。发现：在速度的突变和闪点温度形成时,摩擦接触表层等效塑性应变增大明显;在这一摩擦表层,过不同接触点的纵向剖面塑性应变沿深度分布不同：有的是接触表面塑性变形最大,有的是在接触微凸体表面下某一深度塑性变形最严重,而接触凸点表面的塑性应变稍小些。这与相关文献用SEM研究干摩擦后金属摩擦表层变形照片后发现的结果一致。滑动摩擦过程中,金属粗糙摩擦接触表层塑性变形的不断累积,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。     

间隙约束副摩擦接触对多体系统动态特性的影响

分析总结了常见的间隙约束副摩擦接触计算模型,用拉格朗日方法建立含间隙约束副的多体系统动力学模型,并用龙格-库塔法进行求解,获得系统的动态时域响应特性,利用快速傅立叶变化(FFT)得到系统的频谱,最后从时域和频域对不同的摩擦接触模型下系统动态响应进行对比分析.计算结果表明应用Hertz接触算法得到的动态响应峰值最大,超谐现象突出,振动明显;连续接触模型的响应峰值最小,响应频率带宽较窄;摩擦因数增大会对碰撞振动起抑制作用,降低系统的混沌效应.     

液压往复密封的摩擦特性分析

基于往复式密封的弹性流体动力润滑的数学模型,对影响密封性能的因素进行了综合分析。综合考虑了形变理论、接触力学理论以及流体-固体耦合理论,采用MATLAB数值分析法,通过数学迭代计算完成最终求解。深入研究了润滑油黏度、界面摩擦系数以及密封圈的表面粗糙度对密封性能的综合影响。结果表明:随着耦合界面摩擦系数的增加,接触摩擦力都呈现出增大的趋势;总摩擦力随着粗糙度的增加呈现出抛物线式变化趋势;润滑油的黏度存在一个临界值,当润滑油黏度小于此临界值时,随着润滑油黏度的增加,总摩擦力先增加后降低;当润滑油黏度超过此临界值时,接触摩擦力呈现出单调增加的趋势;润滑油黏度和界面粗糙度的增加会导致流体泄漏的增大。     

二甲醚发动机活塞二阶运动-润滑耦合模型建立及数值分析

通过改造潍柴WP6发动机的供油、燃烧系统,开发出一台二甲醚发动机。试验采集二甲醚发动机燃烧参数,针对活塞运动和润滑分析,建立活塞裙部系统以及由曲轴、连杆、活塞组成的多体系统的耦合润滑模型。基于拉格朗日乘子法建立多体动力学方程,并采用有限单元法对润滑模型进行求解。将耦合计算结果与实验对比,验证模型准确性。根据现有二甲醚发动机活塞裙部的结构参数,研究不同活塞结构参数对敲缸及润滑的影响。结果表明,活塞间隙越小时,活塞二阶运动的空间越小,导致敲缸现象减弱,磨损降低,但较小的间隙会产生比较高的油膜剪切力,微凸体表面接触也会加剧,引起较大的摩擦力及摩擦功耗;活塞裙桶形面最高点的位置也会影响活塞裙-缸套系统的运动和润滑特性;桶形面与活塞销中心的距离越小越容易满足力与力矩平衡条件,有利于降低敲缸以及摩擦损耗。     

基于微凸体侧接触模型的机械密封端面混合摩擦热理论预测

基于微凸体侧接触模型,推导了机械密封端面混合摩擦热计算式,研究了转速、摩擦间隙和粗糙度对常用机械密封端面混合摩擦热的影响。结果表明：常用混合摩擦状态下的机械密封端面微凸体接触多为第Ⅱ类弹塑性接触;当转速ω ≤ 2 800 r/min时,微凸体接触摩擦热所占比重较大,但随着转速上升,黏性摩擦热比重逐渐增大至百分之百;随着摩擦间隙d的增大,黏性摩擦热和微凸体接触摩擦热曲线均呈下降趋势,当d ≥ 2.8σ时,微凸体接触摩擦热减小至零,而黏性摩擦热随d变化不大;随着粗糙度的增加,端面摩擦热先下降后上升,在近1.6 μm处最小,因而在机械密封设计时,存在某一粗糙度使混合摩擦热最少。     

基于深度学习方法的含间隙铰链多刚体系统的动力学建模与分析

机械系统中,铰接处接触力受铰间间隙量大小、运动副各部件的材料属性、运动过程中的接触状态等因素的影响,表现出很强的非线性。传统的间隙铰摩擦理论模型主要关注对摩擦现象描述的普适性,而难以精确地描述摩擦过程中摩擦力的非线性特征。基于物理样机试验获得的数据,使用深度学习方法建立了间隙铰非线性接触力神经网络模型,通过摩擦试验生成接触摩擦力数据集,结合旋转铰间隙接触碰撞力混合模型生成接触碰撞力数据集,对模型进行训练和测试,得到了旋转间隙铰的神经网络动力学模型。在此基础上,结合拉格朗日方程对含间隙铰的曲柄滑块机构进行建模,建立了“多刚体系统-间隙铰-多刚体系统”的动力学模型,通过仿真分析得到系统关键参数的动力学响应,并与物理试验结果进行了对比,验证了基于深度学习方法获得的间隙铰模型的正确性,为深度学习方法在非线性系统动力学建模方向上的应用提供了一个可行的思路。     

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。     

柴油机连杆衬套微动特性研究

针对某型柴油机连杆小头和衬套过盈配合引起的微动现象,建立了连杆小头-衬套-活塞销三体接触的有限元模型,应用有限元法求解计算得到了不同参数下衬套的等效应力和变形变化规律。结合接触力学理论,分析了连杆摆角、过盈量和摩擦因数等不同参数对衬套微动特性的影响规律。分析结果表明,随着过盈量的加大,衬套的摩擦应力、接触压力和摩擦功不断的增大,而微动幅值呈不断减小的趋势。随着摩擦因数的降低,衬套的接触压力变化较小,摩擦应力和摩擦功不断减小,而微动幅值呈不断增大的趋势。应适当增大过盈量并减小衬套的摩擦因数来减缓微动磨损。     

摩擦界面内杂质颗粒物的力学行为研究进展*

摩擦界面内夹杂的固体颗粒物,会影响摩擦副的摩擦、磨损性能,并可能导致摩擦副异常振动和温度升高,应用表面织构可改善摩擦界面的摩擦学特性,为摩擦副的减摩、抗磨提供了有效的途径。介绍摩擦界面夹杂有固体颗粒时的摩擦、磨损机制,概述颗粒-摩擦副的力学模型、颗粒被卷吸进入摩擦接触界面前后的力学行为,以及颗粒存在时表面织构的作用。展望颗粒-摩擦副系统的研究方向,包括非球形颗粒的力学行为研究,摩擦接触界面间颗粒的运移规律研究,摩擦体系各要素间的协同作用和制约机制研究,润滑脂作为润滑剂时固体颗粒的力学行为研究等。     

一种点接触粗糙表面摩擦行为的预估方法研究

针对润滑状态下连接界面的接触问题,对流体动力油膜和粗糙表面的摩擦特性进行了研究,提出了一种点接触粗糙表面摩擦行为的预估方法。首先,基于载荷分配思想建立了粗糙表面摩擦模型,利用Hertz理论中的最大接触压力分别确定了微凸体高度分布服从高斯分布、指数分布以及三角分布时粗糙表面的接触载荷;然后,通过弹性流体动力润滑膜厚公式求解了流体动力油膜承担的载荷;最后,绘制了滑动速度-摩擦系数曲线,模拟了整个润滑过程中连接界面摩擦系数的变化。研究结果表明:仿真结果与试验数据具有一致性,且不同法向载荷、粗糙表面形貌、润滑剂粘度以及假设的微凸体高度分布对摩擦系数的影响程度不同;微凸体假设为高斯分布时,仿真结果更接近试验数据;该方法可以为机械结构的润滑状态预测提供理论基础。