机械结合面法向动态接触刚度理论模型与试验研究

机械结合面经常可能在动态条件下工作,使得结合面的接触状态偏离静态工作状态,导致接触刚度发生改变。为了揭示动态接触刚度的变化规律,考虑两个粗糙结合表面上单个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接触过程,建立一个振动周期内各变形阶段微凸体的平均接触刚度模型;在此基础上,基于高斯分布假设,建立整个粗糙结合表面的动态接触刚度解析模型。该模型揭示了接触面压、振动频率和相对位移振幅对动态接触刚度的影响规律,并与试验结果和静态接触刚度计算结果进行了比较。研究表明:法向动态接触刚度和静态接触刚度与接触面压之间的关系基本一致,但有一定偏离。这种偏离程度随动态位移幅值和振动频率的增加而分别呈线性和非线性增大。     

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。     

微织构曲面的结合面的接触阻尼特性研究

研究微织构曲面结合面上的表面形貌参数对曲面结合面接触阻尼的影响。分析结合面阻尼来源,建立了结合面单个微凸体阻尼的数学模型。进一步的,以平面微凸体的分布密度函数为理论依据计算曲面接触微凸体的数量,并研究曲面结合面上织构密度、材料特性参数,以及施加的动态载荷的频率和幅值对接触阻尼的影响。经过研究及实例分析结果表明：织构密度越高,曲面结合面间的接触阻尼越小;随着材料特性参数的增大,法向接触阻尼越来越大;伴随振动频率加大,相同的载荷下接触阻尼逐渐减小;动态变形幅值越大,接触阻尼越大。     

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。     

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。     

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。     

尺度相关的分形结合面法向接触刚度模型

基于分形理论,利用双变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟三维分形结合面,建立尺度相关的三维分形结合面法向接触刚度模型。推导出各等级微凸体发生弹性、弹塑性以及完全塑性变形的存在条件。确定结合面上各等级微凸体的面积分布密度函数,推导出法向接触刚度和法向接触载荷的解析表达式。计算结果表明：当结合面上的微凸体只能发生弹性变形,即自身等级小于弹性临界等级的微凸体,该部分微凸体引起的法向接触刚度和对应法向载荷关系呈非线性。当微凸体的等级大于弹性临界等级,在结合面接触过程中,微凸体弹性变形引起的法向接触刚度与对应的法向载荷关系为线性,非弹性变形引起的法向接触刚度与法向载荷关系为非线性。微凸体的等级范围对结合面的刚度影响较大,在相同的法向载荷作用下,高等级微凸体的结合面产生较高的法向接触刚度,即结合面越平整,结合面的法向刚度越高。     

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。     

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。     

角接触球轴承静态刚度试验

角接触球轴承在径向、轴向以及力矩方向联合载荷作用下,内外圈将产生径向、轴向相对位移及相对倾角。这种弹性相对位移量的大小关系到轴承的使用性能。为了得到角接触球轴承静刚度,提出了角接触球轴承静刚度的测试方法。设计了测量装置,获取施加不同载荷作用下角接触球轴承的静刚度。分析结果表明:随着轴向载荷或径向载荷的增大,轴向变形或径向变形基本上呈现线性增长,轴向刚度和径向刚度呈现非线性增长;随着轴承尺寸的增大,轴承的静态刚度也增大。     

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。     

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。     

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.     

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.     

轮胎刚度和阻尼非线性模型的解析研究

根据轮胎的静态和动态试验结果,建立了轮胎刚度和阻尼的非线性解析模型.该模型分析了轮胎刚度与轮胎变形量、充气压力和振动频率之间的数值解析关系;同时还分析了轮胎阻尼与振动速度、轮胎变形速度和充气压力之间的关系.     

机械结合面接触刚度建模新方法

建立精确、有效的结合面接触刚度模型是进一步开展机床整机动力学建模与分析的基础。提出了一种新的弹性接触刚度模型,该模型考虑基体变形的同时,对GREENWOOD和WILLIAMSON提出的粗糙表面微观接触模型(GW模型)进行了修正。为分析基体对接触变形的影响,首先建立含有基体的单个微凸体接触模型,并基于HERTZ接触理论,获得结合面的接触参数;然后,通过引入三角分布函数和解决GW模型在模拟微观接触行为中存在的问题,建立了新的弹性接触刚度模型,并揭示了分布函数、基体变形以及表面粗糙度对结合面接触特性的影响规律。研究表明:三角分布函数能有效地表征表面微凸体高度分布;基体变形的影响是由基体和微凸体相互作用引起,随着法向载荷的增大而明显;表面粗糙度是影响接触刚度的主要因素,相同载荷下,表面粗糙度越大,接触变形越大,接触刚度越小。     

基于分形理论的结合面刚度建模研究

机械零部件中的结合面刚度影响整体结构的动态特性,刚度模型是否准确是影响整体结构动力学模型的关键因素之一。将结合面假设为刚性光滑平面与粗糙平面之间的接触,基于Weierstrass-Mandelbrot函数建立结合面三维实体模型,并进行有限元静力学分析,获得外加载荷与结合面变形之间的函数表达式,利用微分关系建立结合面法向与切向刚度与外加载荷呈现K=m Pn的指数关系。通过对已有研究成果对比,验证了所建刚度模型的正确性,并获得重要结论:结合面法向刚度和切向刚度有着相同的变化趋势,即随着法向载荷的增大,法向与切向刚度随之增大;系数m随着分形维数D的增加而递增,而系数n却随之减小。     

结合面法向接触刚度分形预估模型及其仿真研究

从微观角度出发,基于结合面的"固-隙-固"接触模型、摩擦学理论和分形接触理论建立了考虑域扩展因子影响的结合面法向接触刚度的分形预估模型,在一定程度上完善了结合面动力学参数的分型模型.通过仿真分析揭示了法向载荷、分形维数、尺度参数以及单个微凸体接触刚度和材料参数对结合面法向接触刚度的影响。仿真分析表明:结合面法向刚度系数随着法向载荷的增大而增大,增大结合面法向载荷有利于提高结合面的法向接触刚度;在不同分形维数的范围内,法向接触刚度均随着结合面分形维数不同而不同.此外,法向接触刚度随着分形特征长度尺度参数的增大而减小,随着单个微凸体接触刚度的增大而增大;而材料参数的增大,使得法向接触刚度也增大.