粗糙界面法向接触振动响应与能量耗散特性研究

粗糙界面的法向接触振动与能量耗散特性对描述界面动力学机理具有重要的理论和实际意义。本文通过建立粗糙界面法向接触振动的动力学模型,提出了其法向接触振动响应特征量和振动能量耗散量的计算方法。基于粗糙表面的三维分形模型描述,构造了粗糙界面的接触力-变形关系式,并与Hertz接触模型的力-变形关系进行了对比分析;建立了粗糙界面接触振动系统的动力学方程,计算了不同表面形貌粗糙界面系统每周期的振动能量耗散率和累计能量耗散率;分析了粗糙界面法向接触振动的响应特征与能量耗散特性,从理论上对界面法向微动能量耗散的实验结果进行了解释,为描述接触界面的动力学机理提供了理论依据。     

粗糙结合面法向接触的能量耗散与阻尼特性研究

为了能够预测粗糙结合面法向接触的能量耗散和阻尼的变化规律,在Hertz和Abbott-Firestone经典接触模型的基础上,提出了一种加载-卸载混合弹塑性接触模型。首先,研究单个微凸体在完全弹性和塑性接触状态下的受力特性,推导出混合弹塑性状态下接触面积和力的数学表达式,进而研究能量变化规律和接触阻尼特性。然后,通过文献中的实验数据,并且和完全弹性、塑性状态下的接触模型进行对比,验证了该模型的有效性。在此基础上,分析能量耗散和法向接触阻尼与法向变形量、硬度以及硬度指数的关系。结果表明,结合面能量耗散随着法向变形量的增加而变大,而法向接触阻尼随之减小;在法向变形量一定时,接触阻尼随着材料硬度的增加而变大,而硬度指数的影响很小。     

非连续粗糙多界面接触变形和能量损耗特性研究

非连续多层叠加结构的粗糙界面接触形变与能量损耗特性一项研究较少的难题。本文在单一界面能量损耗特性研究的基础上,通过建立“多层粗糙金属板--刚性平面”的多界面模型,采用有限元方法,对加载与卸载过程中,具有不同界面形貌、不同塑性变形行为和界面摩擦的多层叠加模型粗糙多界面的接触力和变形进行计算,研究了多层叠加结构粗糙界面上的接触力-变形关系,以及由塑性变形与界面摩擦引起的能量损耗特性,构造了描述粗糙多界面上接触力-变形关系表达式,计算了多层粗糙界面的能量传递损耗率,分析了多层叠加结构的非连续粗糙多界面接触变形机理和能量损耗特性。     

润滑状态下线接触滑动粗糙界面的动摩擦特性研究

滑动粗糙界面的摩擦润滑特性对界面的润滑设计和润滑状态预测具有重要的理论和实际意义。本文通过建立不同润滑状态下的滑动粗糙界面模型,基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想,采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌,考虑界面润滑的时变效应和润滑油的粘-压特性,建立了线接触滑动粗糙界面的油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程,获得了整个润滑区的润滑油膜载荷比例因子、油膜厚度和摩擦系数随滑动速度的变化关系,推导了界面由混合润滑过渡为液压润滑的临界速度关系表达式,分析了滑动粗糙界面的润滑承载机理,获得了界面油膜厚度、摩擦系数和临界速度随界面形貌参数、法向载荷、润滑油属性参数的变化规律,为机械结构的界面润滑设计、润滑状态预测和润滑优化提供理论和实验参考。     

考虑轧制界面粗糙形貌的轧机辊系非线性振动特性研究

轧制界面的粗糙形貌可导致界面行为的根本变化,极大地影响着轧机辊系的动力学响应行为。考虑轧制界面粗糙形貌的影响,建立了轧机辊系系统的非线性垂直振动动力学模型,计算了具有不同粗糙形貌轧制界面的轧机辊系系统非线性刚度特性和固有频率特性,并与采用Duffing振子描述界面刚度的传统轧机模型进行了对比。采用多尺度法求解了考虑界面粗糙形貌影响的轧机系统主共振幅频特性方程,并推导了系统受迫振动响应的跳跃频率和跳跃幅值表达式,分析了轧制界面粗糙形貌、激励载荷、非线性刚度率和阻尼对轧机辊系系统动力学响应特性的影响,为抑制轧机振动提供有效的理论参考。     

芯轴式摩擦支撑滞回能量耗散模型及热效应影响参数研究EI北大核心CSCD

针对所提出的芯轴式摩擦支撑的构造特点,建立了滑动摩擦动热转换的滞回能量耗散模型,研究了摩擦生热对芯轴式摩擦支撑性能的影响,分析了初始摩擦力、摩擦片厚度、摩擦芯轴比热容和摩擦系数等因素对芯轴式摩擦支撑的力学性能和温度场的影响规律,给出了摩擦支撑在摩擦生热影响下的摩擦力增长值理论计算公式,并通过数值分析结果进行了验证。分析结果表明芯轴式摩擦支撑在摩擦过程中温度不断上升,高温区主要集中在摩擦芯轴和摩擦片的摩擦接触面上,并且随着摩擦片厚度、初始摩擦力和摩擦系数的增加,摩擦热效应越明显,随着材料比热容的增加,摩擦热效应下降。     

混合润滑状态下粗糙界面法向接触刚度计算模型与特性研究

机械装备系统的静态特性和动力学特性取决于系统接触界面法向接触刚度。基于粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson统计模型描述与液体润滑界面的油膜共振模型和弹簧模型,推导了机械结构混合润滑粗糙界面固体接触刚度和液体润滑介质接触刚度,并实现粗糙微凸体固体接触刚度与液体润滑介质接触刚度的耦合,提出了一种混合润滑状态下粗糙界面法向接触刚度的计算模型,分析了接触界面形貌参数、润滑介质和接触基体材料属性对界面法向接触刚度的影响规律。结果表明:润滑介质的声阻抗是影响液体接触刚度的主要因素,声阻抗增大时,液体接触刚度减小;接触基体材料的表面形貌和弹性模量是影响固体接触刚度的主要因素,界面粗糙度和弹性模量增大时,固体接触刚度增大。混合润滑粗糙界面接触刚度计算模型的提出,为机械结构润滑接触界面的刚度计算、性能预测与优化提供理论和实验参考。     

考虑热效应的液氢气泡生长特性研究北大核心CSCD

根据单个气泡的生长特点,考虑液氢的热效应和气泡内部温度分布,通过联立求解热平衡方程、热扩散方程、Rayleigh-Plesset方程和半无限大空间的导热方程构建了单个气泡生长的数理模型。通过液氮工质中气泡的生长实验结果验证了模型的正确性,进而对比了几种典型低温工质中气泡半径的热力学生长过程,分析了不同工质热效应参数对气泡半径和半径临界时间的影响。此外还研究了液氢中单个气泡的半径生长过程和半径临界时间随环境压力和过热度的变化规律。     

离合器摩擦副摩滑过程轴向振动特性研究

通过对摩擦副表面结构特征和接触力学等理论的应用,建立了热变形微观法向单元接触数学模型。采用数理统计和归一化方法,将微观模型转换成宏观数学模型,分析了摩擦副法向弹性接触特性,并引入Kelvin-Voigt(KV)模型,增加黏弹性接触微分算子,构建了包含有应力和应变关系的黏弹性接触属性的数学模型,得到了摩擦副轴向振动数学模型。经仿真分析,获得了摩擦副摩滑过程的振动特性,同时对不同转速条件下的摩擦副摩滑过程轴向振动特性进行了实验测试。经对比分析,结果表明,仿真模型精度达到87%,仿真结果准确。这为进一步深入研究振动特性对摩擦副使用性能和寿命,具有理论研究和工程设计指导意义。     

考虑摩擦的摆线锥齿轮参数激励振动特性研究

考虑摩擦与参数激励影响建立摆线锥齿轮副啮合模型。以齿轮副啮合点间沿啮合线相对位移为广义坐标,用Lagrange原理建立主、从动齿轮扭转振动平衡方程,通过降阶、解耦及归一化获得系统动力学方程。采用四五阶Runge-Kutta法对动力学方程求解,给出摩擦因子对轮齿啮合点位移响应关系曲线;基于系统参数激励,对比分析有无摩擦时阻尼水平、外载荷、传递误差、刚度及激励频率对振动特性影响规律,给出相应参数激励下位移响应关系曲线。仿真结果表明,摩擦能有效抑制轮齿啮合点参数激励位移响应幅值,使峰值频率发生漂移;摩擦、激励频率均能改变系统运动状态、增加系统运动的复杂性。     

考虑接触刚度的燃气轮机拉杆转子动力特性研究

基于弹塑性理论对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析,根据受力和变形关系得到了不同载荷作用下的法向和切向界面接触刚度。将微元体界面接触刚度与宏观结构应力分析结果相结合,给出了考虑接触刚度的组合结构动力特性研究方法,分析了压气段轮盘接触刚度对某重型燃气轮机拉杆转子固有振动频率的影响。结果表明,界面接触刚度导致转子固有频率降低,随着接触刚度的增加,其对固有频率的影响逐渐减小。接触刚度对转子各阶固有频率的影响不同,法向刚度对第一阶弯曲频率影响较大,切向刚度对第二阶弯曲频率影响较大。     

负电容压电分流阻尼系统的能量耗散特性

在半主动压电分流阻尼技术中,采用不同结构负电容分支电路时,系统具有不同的阻尼特性.将负电容半主动分支网络分为串联电容/电阻支路、串联电容/电感/电阻支路、并联电容/电阻支路,获得了不同支路时系统的机械阻抗,比较分析了系统能量耗散因子及刚度比,发现串联电容/电感/电阻支路能获得更宽更高的中低频阻尼性能,而并联电容/电阻支路的高频阻尼性能较好.     

界面润湿性对石墨烯流固摩擦能量输出的影响

为深入了解界面润湿性对流固摩擦能量输出的影响机制,该文利用石墨烯薄膜制作不同界面接触角的俘能结构并进行实验测试。此外,基于分子动力学理论建立Couette模型并进行仿真验证。研究发现,俘能结构输出的电压随着接触角的增大而增加,接触角为69.5°的俘能结构对应输出的电压是0.95 m V,相比接触角为45°时输出的0.57 m V增长67%;输出的电压极性与溶液流动的方向有关;而且电压幅值与溶液流动速度及浓度有关,与流动速度成非线性关系。结合模拟结果提出一种界面润湿性对流固摩擦能量输出效率的影响机制,结果表明:宏观接触角是表征界面对水分子的束缚力的参数,也是影响溶液在界面附近滑移速度的关键因素,溶液离子拖动电子移动速度受滑移速度影响,并将最终决定输出电压大小。     

考虑支座及限位装置非线性的接触摩擦单元模型

在连续梁桥活动墩上设置限位装置后,活动墩处将包含活动支座的摩擦及限位装置的接触碰撞两种非线性,综合摩擦单元及接触单元的特性,分别考虑接触单元的弹性及弹塑性情况,提出了接触摩擦单元的有限元模型,给出了接触摩擦单元的滞回曲线,针对卸载曲线的不同状态,分别推导出了其卸载刚度;利用接触摩擦单元对设置有分散抗震挡块及活动摩擦支座的连续梁桥进行了非线性地震反应分析,对挡块在降低连续梁桥固定墩地震反应上的分散抗震作用进行了研究,该接触摩擦单元可用于设置有防落梁装置及活动支座桥梁的较为细致的抗震分析模型。     

考虑法向载荷变化的微滑摩擦系统振动分析

工程结构中,常采用干摩擦阻尼器来降低系统的动力响应幅值。振动环境中,连接界面间存在着复杂的接触和摩擦行为,这些行为具有跨尺度、迟滞非线性和切法向耦合等特点。建立了一种能同时考虑法向载荷变化和切向微滑摩擦行为的接触力学模型,推导了模型恢复力和相对位移间关系的表达式,利用不同模型间的比较验证了模型的有效性。将该模型应用于简化的摩擦阻尼器系统,求解了简谐激励下系统的迟滞回线、单位周期的能量耗散和频率响应曲线,并对不同模型的特性进行了比较分析。结果表明:是否考虑法向载荷变化对系统动力学响应预测有很大影响;考虑法向载荷变化的微滑摩擦模型能够更加完善、准确地模拟接触界面间的力学行为。     

聚合物基复合材料摩擦过程的界面迁移特性

系统介绍了聚合物基复合材料在摩擦过程中的界面迁移--转移膜的形成及其影响因素,得出如下规律:聚合物与对偶件滑动接触时都会发生界面迁移,导致对偶件表面形成一层转移膜.填料对转移膜的形成有促进或减弱的作用,从而减小或增大材料的摩擦系数,提高或降低材料的耐磨性;并且填料对于转移膜粘结强度的贡献与磨损率有着强烈的关联,粘结强度大则磨损率小,粘结强度小则磨损率变大.对偶件表面粗糙度对转移膜的生成也有很大影响,适当的粗糙度会促使偶件表面形成较均匀、连续且致密的复合材料转移膜,此时复合材料的磨损率也最低.滑动速度、载荷、湿度等对转移膜的生成都有重要影响.     

流体-孔隙介质周期性粗糙界面超声波反射与透射特性研究

为了研究超声波在流体-孔隙介质周期性粗糙界面的传播特性,文章基于周期性锯齿粗糙界面的衍射模型分析孔隙介质开孔与闭孔状态下孔隙度对反射与透射的影响。通过孔隙介质比奥特(Biot)理论与光栅方程理论,得到包含各阶反射系数、透射系数的线性方程组,再利用傅里叶变换进行数值计算,得到孔隙度与流体-孔隙介质周期性粗糙界面反射系数、透射系数之间的关系。结果表明,由于界面的周期性,频率对反射与透射系数的影响没有呈现一定的规律。但孔隙度对反射与透射系数有显著影响,且由于孔隙介质状态的差异性,导致反射与透射系数在开孔与闭孔时变化趋势不同。     

基于能量法的库伦摩擦阻尼特性分析

为了研究摩擦减振特性,对给定二自由度摩擦系统的动力学方程进行分析,利用能量守恒原理和阻尼减振原理给出系统摩擦阻尼的损耗因子。通过分析不同外载荷、质量比和刚度比对损耗因子的影响,以及对不同最大动摩擦力时质量体的长、短时程位移变化特性进行比较。结果说明损耗因子随外载荷和系统结构参数不断变化;最大损耗因子对应的最大动摩擦力作用系统,只有在短时间内有较好的减振特性,在实际中可以采用主动控制摩擦力的方法达到最佳减振效果。     

铝/钢搅拌摩擦辅助铆接接头界面特性研究

目的探究搅拌摩擦辅助铆接铝/钢接头界面的结合特征,解决传统铆接力学性能较低的问题。方法采用搅拌摩擦焊技术实现了对3mm厚不锈钢板和4mm厚的铝合金板的搭接点焊,采用OM及SEM对铝/钢接头界面结合情况进行分析,并利用EDS对界面处元素分布进行分析。结果搅拌头转速1180 r/min、焊接时间120 s、下压量0.2 mm时,铝/钢接头界面结合较好,平均拉剪力达到6519 N,且在铝/钢界面处产生FeAl金属间化合物。受摩擦热作用的影响,位于下板的铝母材晶粒发生长大变粗,铝铆钉与铝板结合紧密,铝铆钉与铝板的结合情况受搅拌头压力的影响更为显著。结论搅拌摩擦辅助铆接铝/钢异种合金,实现了铆钉与铝板和钢板的有效冶金结合,在铝钢结合界面处存在原子的互扩散现象,且有相应的金属间化合物生成。