成形板料表面的接触分形模型研究

提出了一种描述板料与模具接触问题的解决方法,对板料粗糙表面进行了测量和分析,得到了分形维数。根据分形几何理论和接触力学理论,建立了板料与模具接触的接触面积与接触力、摩擦系数之间关系模型,进而建立了接触面积、接触力、摩擦系数与冲压力之间的关系。     

DP780高强度钢板摩擦界面分形接触模型

根据板料的表面轮廓特点,建立了基于分形理论的DP780板料表面形貌模型,在表面形貌模型的基础上建立了DP780板料和模具的弹塑性接触模型,该模型将模具视为刚性体,导出了板料与模具实际接触面积的计算公式,并确定了实际接触面积与法向载荷的关系。将分形接触模型应用于摩擦模型的建立中,能够获得更为真实的边界条件,可为板料成形数值模拟的准确性提供可靠的理论基础。
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拉杆转子轮盘结合面法向接触刚度试验

用功率谱法分析了拉杆转子轮盘接触面表面粗糙度与分形参数之间的关系,结合分形接触理论,建立了轮盘结合面法向接触刚度模型,通过轮盘表面材料参数、法向载荷及轮盘表面的分形参数来计算轮盘结合面的法向接触刚度,并通过试验进行验证。研究表明:轮盘结合面理论计算刚度与试验测试刚度趋势一致;分形接触理论在定性上是正确的,但分形理论适用范围有限,仅适用于粗糙度较小、法向接触载荷较大的场合,与试验刚度测试结果存在一定的偏差。     

基于分形接触模型的齿轮接触强度影响参数分析

根据基于分形接触模型的齿轮接触强度理论,讨论了影响齿轮接触强度大小的几个参数：粗糙度幅值参数、材料的特性参数、分形维数和表面粗糙度。结果表明：减小粗糙度幅值参数、增大材料的特性参数有利于提高齿轮接触强度;分形维数和表面粗糙度与接触强度之间不是线性关系,而是存在一个最优值。      

板料拉深成形数值模拟中动态边界条件的处理

针对板料拉深成形过程中工件与模具接触边界的动态变化,将模具表面离散为若干个三角形单元,并用参数方程来描述工件节点及模具三角形单元的运动情况,将工件与模具的接触问题转化为空间直线与平面的动态求交问题。在此基础上,通过实际的模拟分析,证明该处理方法的可行性。     

螺栓联接界面表面分形及接触研究

针对由螺栓联接的两个粗糙表面微观特征和实际接触情况进行了研究。采用分形函数模拟生成了粗糙面轮廓曲线,发现分形参数对传统粗糙度参数有影响;探讨了分形维数D与机械加工面传统粗糙度参数Ra的关系;利用表面分形模拟数据和实验测量数据建立了有限元接触模型。运用Abaqus软件对模型计算表明:随着接触载荷(螺栓预紧力)的增加,接触面积也相应增加;在相同接触载荷(螺栓预紧力)下,表面越光滑,接触面积越大;当接触面积增加到某一值后,改变不明显,且接触面积小于名义接触面积。这一结论可以很好的解释超声波能量在螺栓联接界面的传递机理,即预紧力-真实接触面积-能量三者的关系,为超声波能量法在螺栓松动监测中的应用提供理论基础。     

压电力传感器晶片与电极接触刚度影响研究*

以压电力传感器为核心的多分量测量系统是航空、航天等领域重要的力学测量装置。压电力传感器中晶片与电极结合面接触刚度是基础性能参数,对压电力传感器的分载效应及灵敏度,多分量测量系统的整体刚度及静、动态性能有直接影响。由于尚无对该参数的研究,导致在设计封装压电力传感器过程中缺少相应的理论依据,在使用多分量测量系统时存在标定困难等问题。针对以上问题,研究晶片与电极结合面接触刚度的影响因素,建立基于分形理论的接触刚度模型,优化了晶面表面形貌、压电材料、电极材料、预紧力等参数。在此基础上,研究接触刚度对传感器性能——刚度、灵敏度、固有频率等影响,提出一种以接触刚度为约束的晶片表面形貌优化方法。基于结构函数法,建立分形理论与实际工程测量参数的联系,通过两种压电晶体——石英与硅酸镓镧,四种电极材料——钛合金、不锈钢、黄铜、铝,试验验证了理论模型。试验表明,优化晶片表面分形参数、提高预紧力、选用弹性模量小的电极有助于提高晶片与电极接触刚度,进而提高传感器的整体刚度、灵敏度和固有频率。研究为高性能压电力传感器的设计提供了理论参考。     

粗糙表面分形接触模型的研究进展

工程表面具有分形特征,利用分形参数对表面形貌进行表征不受仪器分辨率和取样长度的影响。2个粗糙表面之间的接触行为对摩擦、磨损、润滑、密封和传热等均有着重要的影响,因而一直是摩擦学研究的重要课题之一。基于表面的分形特性而建立的接触模型,可使表面接触的分析结果具有确定性和唯一性。介绍分形表面形貌的Weierstrass-Mandelbrot函数生成方法并给出利用MATLAB程序生成的分形曲线和曲面,分析和评述近二十年来分形接触模型中单个微凸体的接触行为、接触面积分布与真实接触面积、接触变形方式与接触载荷以及总的真实接触面积与接触载荷之间的关系等方面的研究情况,并简单列举分形接触模型在机械学科中的应用情况。指出结合分形理论对表面接触行为进行研究是接触理论发展的必然趋势,为摩擦学研究提供新的思路。     

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。     

板料拉延过程的数值分析

本文采用有限应变理论中增量形式的total Lagrangian列式和J 2流动法则,用薄膜壳模型对板料拉延过程进行了数值分析。板料的应力-应变关系为指数形式,考虑了材料厚向异性的影响,设板料与模具的接触表面适用库仑摩擦定律。分析中考虑了压边的作用,引入了凸缘起皱和简部破裂的判断准则。计算结果与实验数据进行了比较。     

考虑摩擦的球面切向接触刚度分形模型研究

为准确且方便地计算两球面的切向接触刚度（TCS）,在前期对两球面接触分形模型研究的基础上,通过引入考虑摩擦因素的弹塑性变形临界面积计算公式,并基于接触面切向刚度基本理论,建立了考虑摩擦因素的两球面切向接触刚度的分形模型。对模型进行了仿真分析,结果表明：切向接触刚度与法向载荷成正比关系;摩擦因数与切向接触刚度的关系因分形维数的变化而呈现出不同的规律;受到分形维数变化的影响,切向接触刚度随接触面材料特性参数和分形粗糙度幅值的增大而增大;在一定工况下,切向接触刚度在分形维数取1.5时达到最大,且当分形维数在1.5左右时,其值增大最快;球面内接触比外接触时的切向刚度大;随着曲率半径的增大,切向刚度增大。研究结果为后续开展高副结合面（如轴承等）润滑及动力学分析提供了理论基础。     

考虑摩擦的圆柱面切向接触刚度分形模型研究*

为了更准确地计算圆柱面切向接触刚度,本文考虑摩擦因素的影响,在圆柱面分形接触模型的基础上,引入存在摩擦时弹塑性变形的临界面积公式,并利用切向接触刚度的基本理论,推导考虑摩擦的圆柱面切向接触刚度分形模型,并通过Matlab对上述模型进行仿真,研究不同参数(摩擦因数、分形维数、粗糙度幅值 、材料的特性参数、曲率半径)以及接触的形式对切向接触刚度的影响。仿真结果表明：切向接触刚度与法向载荷成正比关系,但随分形维数取值范围的变化分别呈现指数与线性规律。摩擦因数与切向接触刚度成反比关系;材料的特性参数对切向刚度的影响,不仅与分形维数有关,还与自身取值关联;分形维数,粗糙度幅值与切向刚度的关系,受分形维数和材料特性参数的影响呈现正比或反比趋势。另外,内接触比外接触时的切向刚度大;随着曲率半径的变大,切向刚度增加。该研究为后续开展高副结合面动力学分析提供理论 基础。     

Fractal prediction model of thermal contact conductance of rough surfaces

The thermal contact conductance problem is an important issue in studying the heat transfer of engineering surfaces,which has been widely studied since last few decades,and for predicting which many theoretical models have been established.However,the models which have been existed are lack of objectivity due to that they are mostly studied based on the statistical methodology characterization for rough surfaces and simple partition for the deformation formats of contact asperity.In this paper,a fractal prediction model is developed for the thermal contact conductance between two rough surfaces based on the rough surface being described by three-dimensional Weierstrass and Mandelbrot fractal function and assuming that there are three kinds of asperity deformation modes:elastic,elastoplastic and fully plastic.Influences of contact load and contact area as well as fractal parameters and material properties on the thermal contact conductance are investigated by using the presented model.The investigation results show that the thermal contact conductance increases with the increasing of the contact load and contact area.The larger the fractal dimension,or the smaller the fractal roughness,the larger the thermal contact conductance is.The thermal contact conductance increases with decreasing the ratio of Young’s elastic modulus to the microhardness.The results obtained indicate that the proposed model can effectively predict the thermal contact conductance at the interface,which provide certain reference to the further study on the issue of heat transfer between contact surfaces.     

过盈配合单向分形界面微观接触面积研究

通过对模拟压缩机叶轮和轴过盈配合的试件表面轮廓进行分析,发现切削加工的粗糙配合表面具有单向粗糙度特征,同时垂直加工纹理方向的表面轮廓具有明显分形特性。基于M-B分形接触的修正模型,建立了具有单向粗糙度分形特征表面的理论接触模型,推导出接触面积与法向载荷的函数关系式。结合真实粗糙表面,建立了具有分形特性的单向粗糙度实体模型,利用有限元分析软件对实体模型进行了仿真分析,验证了接触面积与法向载荷函数关系的正确性。     

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。     

Galling resistance and wear mechanisms – cold work tool materials sliding against carbon steel sheets

One of the major causes for tool failure in sheet metal forming is transfer and accumulation of adhered sheet material to the tool surfaces, generally referred to as galling. In the present work, the galling resistance of several tool materials was investigated against two-phase ferritic-martensitic carbon steel under dry sliding test conditions. Tribological evaluation was carried out at different contact pressures by using a slider-on-flat-surface (SOFS) tribometer. For all selected test conditions, a consistent ranking of the materials was obtained with best performance observed for nitrogen alloyed powder metallurgy tool steel. Worst galling resistance was observed by nodular cast iron.     

三维板料成形过程的有限元分析

基于有限变形理论建立了三维金属板料成形过程的弹塑性有限元数学模型。数学模型采用物质坐标系中的Total Lagrange描述、J 2型本构方程和等向强化假设,考虑了板料的厚向异性,对于金属板料与模具的摩擦定律。为简化计算采用薄膜单元。为了改善节点接触状态变化时计算的收敛性,提出了“弹性边界层”方法。采用根据此模型编制的程序模拟了机油收集器基本件的成形过程,并与试验结果进行了比较。     

双粗糙面滑动摩擦热力耦合有限元分析

建立了双粗糙分形表面滑动摩擦的热力耦合模型,综合考虑了随温度变化的材料性能、材料的弹塑性变形及摩擦副的磨损失效等因素,以摩擦材料的性能参数及设定的材料损伤参数为实例对双粗糙分形表面滑动摩擦全过程的温度场、应力场及磨损进行了数值模拟,分析得到了滑动摩擦过程中摩擦界面最高接触温度、接触应力的分布、磨损率及其变化规律,实现了对双粗糙面摩擦磨损情况的模拟及预测。