实际结合面的法向接触刚度多尺度计算方法

针对结合面接触刚度解析计算与实际接触状态差异较大,基于有限元的大平面接触刚度计算由于计算量大难以实现的问题,提出一种结合面法向接触刚度多尺度计算方法。该方法在应用测量仪器获取结合面平面度、波纹度及粗糙度形貌特征的基础上,应用小波分解技术获取真实形貌特征,并基于有限元微观接触分析建立局部接触刚度与压强之间的关系,基于有限元宏观接触分析获取结合面压强分布,宏-微观结合计算获得结合面法向接触刚度。该方法具有能够真实反映结合面接触状态、计算效率高等特点,法向接触刚度试验结果表明,该方法是一种计算结合面法向接触刚度的有效方法。     

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。     

斜齿面齿轮齿面接触问题的有限元-线性规划解法

提出了一种基于有限元及线性规划计算斜齿面齿轮齿面接触区域载荷分布及啮合刚度的方法。建立了斜齿面齿轮齿面的数学模型,基于matlab实现其齿面及接触轨迹的可视化;基于有限元思想,并结合线性规划改进的单纯形算法,得到齿面接触区域各点载荷分配;根据接触区域平均变形量和载荷计算了啮合齿对的啮合刚度;计算了接触区域最大压应力,并与Hertz理论的计算结果进行对比,验证该线性规划算法的有效性。     

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。     

考虑摩擦的结合面法向刚度分形模型及仿真

为了获得微动结合面较精确的法向接触刚度模型,研究影响接触刚度的因素,基于经典的G-W (greenwood-williamson)统计模型和分形模型,建立了考虑摩擦因素的结合面的接触刚度分形模型,并推导出了相应的刚度公式.通过数值仿真探讨了分形维数、摩擦系数、接触载荷、结合面积等4个因素对结合面法向接触刚度的影响.研究表明,所推导出的法向接触刚度模型能够有效模拟具有摩擦作用的结合面,结合面间的摩擦系数对法向接触刚度的影响与结合面的尺寸有很大的关系,结合面之间的分形维数、接触载荷、结合面积对法向接触刚度有很大的影响.     

BFPC固定结合面虚拟材料参数识别

为了准确识别玄武岩纤维树脂混凝土(Basalt fiber folymer concrete,BFPC)固定结合面虚拟材料参数,基于两自由度弹簧-阻尼动力学模型建立了BFPC固定结合面动态模型,在此基础上辅以实验测试方法确定了9组不同表面粗糙度和结合面压下的BFPC结合面动态特性参数.基于横观各向同性、赫兹接触理论和分形理论建立了BFPC结合面虚拟材料的动态特性参数数学模型,结合实验结果识别不同表面粗糙度和结合面压下的虚拟材料参数.通过对比含有BFPC结合面的组件模态振型和固有频率理论分析和有限元仿真分析结果,证明了BFPC结合面虚拟材料参数识别方法的正确性.     

数控机床滚动导轨结合面接触静刚度分析

以数控机床滚动导轨为研究对象,利用接触力学及弹性力学中的接触理论,分析计算滚动导轨结合面的接触刚度,建立了结合面的接触刚度的求解公式,得到接触刚度的理论模型。基于有限元分析软件,对结合面建立有限元模型,然后,对滚动导轨结合面进行加载求解,得到应力云图,通过excel拟合相应载荷与变形量的关系曲线,把得到处理后的结果与理论计算结果相对比,验证了此有限元分析方法可行。为进一步研究滚动导轨结合面的接触刚度奠定基础。     

考虑主轴-刀柄结合面特性的机器人铣削系统刀尖频响预测研究

针对机器人铣削系统刀尖频响具有位姿依赖特性,导致机器人变位姿加工时稳定性难以准确预测、加工颤振难以有效控制的问题,提出一种考虑主轴-刀柄结合面接触刚度的机器人铣削系统刀尖频响预测方法。基于欧拉-拉格朗日法与吉村允孝单位面积法,分别构建了机器人本体动力学模型与主轴-刀柄结合面接触刚度模型,进而基于有限元主副自由度理论将机器人本体动力学模型与主轴-刀柄结合面接触刚度模型结合,构建了机器人铣削加工系统刀尖频响预测模型。开展了机器人不同位姿下刀尖频响预测验证实验,结果表明,仿真与实验得到的刀尖频响函数相比,固有频率最大误差为6.63%,对应幅值最大误差为9.80%,验证了所提出的预测模型的准确性,证明了该模型能够实现机器人任意位姿下的频响函数准确预测。     

弹性浮动研磨接触面接触刚度接触阻尼的算法

在机械结合面中存在的接触刚度和接触阻尼影响加工过程中机械表面的质量。提出了弹性浮动研磨过程中的接触刚度和基础阻尼的计算方法,采用实验的方法测出振幅与时间的数据,再利用曲线拟合的方法拟合出接触刚度和接触阻尼值。     

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。     

混合润滑下粗糙表面的接触刚度研究*

针对润滑状态下结合面的接触刚度问题,建立一种混合润滑状态下粗糙表面接触刚度等效薄层模型,将接触界面的总刚度等效为固体接触刚度和润滑剂接触刚度之和,研究不同实际接触面积下的表面形貌和润滑剂类型对法向接触刚度的影响,并讨论固体刚度和润滑剂刚度占总法向刚度的比例。结果表明：粗糙界面的法向接触刚度随法向载荷的增加而增加,且混合润滑状态下的接触刚度大于干接触条件下的接触刚度;在初始接触时,法向接触刚度敏感地依赖于润滑性能;随着实际接触面积的增大,表面形貌对接触刚度的影响变得更加明显。     

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。     

粗糙平面接触刚度的研究

从材料表面微观特征的分析着手，采用弹性接触理论和概率分析方法，对两个粗糙平面间的接触刚度问题进行了研究，提出了一种表面接触刚度的理论计算方法，给出了相应算例，计算结果表明，本文提出的方法是有效的。     

A stiffness model of a joint surface with inclination based on fractal theory

Under long-term uneven loading, joint surfaces between the components of heavy-duty machine tools become inclined owing to both external loads as well as the heavy weight of the machinery itself. In this study, to reconstruct the real contact parameters at certain angles of inclination, the macro contact angle was first converted into a micro contact angle based on the stress characteristics and the deformation of asperities were considered. The real contact surface area was then calculated using piecewise integration according to three stages deformation: elastic, elastoplastic, and completely plastic. A stiffness model of the joint surface was derived according to classification theory. Finally, an experimental system with inclinations between the joint surfaces was built and used to validate the model by comparing theoretical and experimental mode values. The present paper analyzes the influence of different fractal parameters, inclination values, and other important parameters on the characteristics of the joint surface using the proposed fractal model and provides a theoretical basis for improving the design and precision of heavy-duty CNC machine tools.     

基于接触分形理论的机械结合面法向接触刚度模型

为能够从理论上建立起具有尺度独立性的机械结合面法向接触刚度的理论模型,从而解决以往研究 荼存在的缺陷与不足,在一定的假设下,基于球体与平面的赫兹接触理论和接触分形理论,首次从理论上给出了具有尺度独立性的机械结合面法向接触刚度分形模型,并取得了与实验一致的数字仿真研究结果。     

考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模

在涉及微凸体侧接触的粗糙表面接触建模过程中,通常需要假定微凸体之间侧接触的角度分布规律。提出一种考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模方法,该方法不再需要假定角度分布规律,而是基于首次发现的单个粗糙表面微凸体水平距离正态分布规律,根据统计学理论进行考虑微凸体相互作用的结合面法向接触刚度建模。对模型进行数字仿真发现：结合面法向接触刚度与接触载荷均随着微凸体水平距离标准差的减小而增大,并且考虑微凸体相互作用会使得结合面的法向接触刚度减小。结合面法向接触刚度随弹性模量的增大而减小,随材料硬度的增大而增大。通过有限元仿真结果与模态试验结果对比可知,基于模型的有限元仿真前三阶固有频率与试验所得结果基本吻合,并且误差相对GZQ模型更小。旨在通过研究单个粗糙表面微凸体水平距离分布,突破侧接触建模时接触角度分布函数仍需假设的理论瓶颈,为更加准确地预测结合面接触特性奠定基础。