考虑摩擦切向力的弹塑性粗糙表面接触模型

基于接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设,提出一种综合考虑弹塑性变形以及摩擦切向力等因素的新型粗糙表面接触模型。通过分析不同塑性指数以及载荷条件下该模型与ZMC模型以及GW模型预测。结果发现:在低塑性指数、小法向接触载荷情况下,该模型预测的真实接触面积相比ZMC模型偏小,甚至比GW模型预测的真实接触面积偏小,但是随着法向接触载荷的增加,该模型预测的真实接触面积逐渐增大,并超过ZMC模型以及GW模型预测结果;在高塑性指数下,该模型预测的真实接触面积即使在小法向接触载荷情况下也相比ZMC模型以及GW模型预测的真实接触面积大,且随着载荷的增加,真实面积之间的差距也逐渐增大;随着塑性指数的增加,该模型预测的真实面积超过GW模型以及ZMC模型预测值的临界载荷逐渐减小。     

新的粗糙表面弹塑性接触模型

提出一种新型的粗糙表面弹塑性微观接触模型.该模型的建立基于接触力学理论和接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设.研究单个微凸体在载荷逐渐增加时的变形规律,并重点推出弹塑性变形区间的接触方程.在此基础上应用概率统计理论导出了粗糙表面的接触载荷、平均分离和实际接触面积之间的数学关系式.在不同的塑性指数和载荷条件下,该模型与GW弹性模型和CEB弹塑性模型就实际接触面积和法向距离的预测结果进行了对比.结果表明,在同样塑性指数和载荷条件下比GW模型预测的实际接触面积大但法向距离小,且两者的差距随塑性指数和载荷的增加而增大.因此该模型的预测结果更加符合人们的试验观察和直觉,能够更加科学和合理地描述两个粗糙表面的微观和宏观接触状态.     

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.     

考虑蠕变特性的橡胶微凸体与金属表面接触特性分析

金属-橡胶接触广泛存在于密封结构中,密封接触表面上微凸体间的相互作用会直接影响整个密封界面的接触特性,进而影响其密封性能。基于粗糙密封界面的单个微凸体,考虑橡胶的蠕变特性,采用理论分析和仿真研究相结合的方式研究橡胶微凸体与金属表面的接触特性。通过橡胶蠕变特性的实验结果,构建橡胶蠕变计算模型;构建半球微凸体与金属平板间的有限元模型,进行考虑蠕变特性的仿真,分析其接触特性,并与Hertz接触理论的计算值进行对比。结果表明：在蠕变阶段,接触半径、法向变形量和最大等效蠕变应变均随蠕变时间的增加而增大,最大接触压力随蠕变时间增大而减小,这均可能导致密封性能的下降;随压力载荷的增大,接触半径、法向变形量、最大接触压力和最大等效蠕变应变均增大,但增大的趋势逐渐减小;橡胶微凸体与金属表面间的等效模量随蠕变时间的增加而减小,随压力载荷增大而增大。     

基于ANSYS的轮轨摩擦滑动接触应力分析

以Hertz接触理论为依据,利用ANSYS建立2D有限元计算模型,模拟原地打滑、完全制动等轮轨滑动摩擦接触行为。分析了轮轨静接触和滑动接触时接触应力分布情况,研究了接触状态、轴重、滑动速度、载荷类型和钢轨轨顶圆半径对接触应力的影响。结合Hertz接触理论计算结果、剥离损伤理论和自激振动理论进行了轮轨损伤分析。     

大功率机车移车台钢轮失效分析

针对大功率机车移车台钢轮失效问题进行分析,利用Hertz接触理论对简化过的机车移车台轮轨接触模型进行表面应力计算,应用有限元软件分析不同钢轮外形的受力变形情况,为选择合理的钢轮踏面外形提供理论依据。     

自旋对角接触球轴承弹流润滑与油膜刚度的影响

根据角接触球轴承自旋运动特征,同时考虑弹流润滑效应,建立角接触球轴承考虑自旋运动的弹流润滑模型;采用多重网格法求解弹性变形,利用有限差分法迭代求解雷诺方程,得到较为精确的数值解;分析不同赫兹接触压力、滚道表面粗糙度下自旋对角接触球轴承弹流润滑和油膜刚度的影响。结果表明：考虑自旋时随着Hertz接触压力、自旋角速度增大,油膜厚度减小,油膜压力增大,油膜承压区域呈细长状,并向接触中心靠近;随着滚道表面粗糙度幅值增大,油膜压力和膜厚均出现了波动,且考虑自旋运动时,轴承油膜厚度明显减小,油膜局部压力峰值更大;随着卷吸速度、润滑油黏度增大,油膜刚度减小,而考虑自旋运动时油膜刚度值更大;随着自旋角速度增大,油膜刚度逐渐增大。     

轮轨接触应力数值计算方法

为了得到轮轨接触应力较精确的数值解,分别采用Hertz接触理论模型、传统有限元模型及改进有限元模型求解轮轨接触应力,并从计算精度和计算时间方面对3种模型进行了比较.结果表明,有限元模型较Hertz接触理论模型更能反映轮轨接触的实际情况,改进的有限元模型在允许的计算精度范围内可以大大提高计算效率;轮轨最大接触应力发生在轮轨表面以下约2.5 mm的位置,呈弧形分布,并随轴重的增加而增大,高应力区宽度增大,离初始接触位置一定距离处的钢轨表面出现高应力区.     

考虑棘轮效应的高速轮轨粗糙表面法向接触刚度研究

轮轨接触表面状态直接影响轮轨接触刚度,而高速列车轮轨滚动接触过程中,轮轨表层材料产生弹塑性变形,且轮轨接触表面在循环接触载荷作用下,轮轨表层材料塑性变形累积产生棘轮效应,因此,研究高速轮轨法向接触刚度时要考虑棘轮效应。基于Weierstrass-Mandelbrot函数分形理论建立高速轮轨滚动接触粗糙度数值模型,考虑轮轨滚动接触棘轮效应,采用非线性有限元软件ABAQUS建立高速轮轨滚动接触微观有限元模型。数值计算结果表明:接触载荷作用下考虑轮轨弹塑性变形可更为准确分析高速轮轨法向接触刚度;循环接触载荷作用下,钢轨表层材料等效塑性应变随接触载荷循环次数增加先增加后趋于稳定,从而导致轮轨接触刚度也先下降然后趋于稳定;在相同接触载荷循环次数作用下,法向载荷对高速轮轨接触刚度影响明显,而摩擦因数对轮轨法向接触刚度影响较小。     

高速轮轨黏着特性三维简化数值模型研究

通过对轮轨载荷和运行参数的三维膜厚状态图的分析,发现水介质表现出弹性等黏度特性。为此,应用Grubin简化弹性流体动力润滑模型,结合Greenwood Tripp微观固体接触理论,建立水介质存在时的高速轮轨黏着特性的三维简化数值模型。分析表明,该模型能很好地反映轮轨黏着情况,且求解时不需对雷诺方程反复迭代求解,计算过程简单。研究速度、粗糙度、接触压力以及边界摩擦因数对黏着系数的影响。结果表明,相比于其他因素,速度和粗糙度对黏着系数影响较大,随着速度的增加,黏着系数减小,随着粗糙度的增加,黏着系数先增大后达到一稳定值。     

Asperity micro-contact models as applied to the deformation of rough line contact

Different statistical micro-contact models including Greenwood–Williamson (GW), Chang–Etsion–Bogy (CEB), Zhou–Maietta–Chang (ZMC), Kogut–Etsion (KE) and Jackson–Green (JG) are employed together with the bulk deformation of the bounding solids to predict dry rough line-contact characteristics such as the apparent pressure profile, contact width and real area of contact. The approach involves solving the micro-contact models and separation formulas simultaneously. Comparison of different contact models reveals that the use of elastic–plastic micro-contact models predicts a lower maximum normal pressure and a greater contact width and real contact area compared to the GW model. Further, based on the results of numerical simulations, useful relationships are provided for the prediction of the maximum contact pressure, contact width, real area of contact and pressure distribution.     

A new roughness parameter to evaluate the near-surface deformation in dry rolling/sliding contact

Within this work, a two-dimensional finite element model for rolling contact of a wheel on a rail is presented that accounts for the roughness of the contact surfaces. The rail material is modeled with elastic–plastic behavior. The maximum of the plastic shear strain is concentrated close to the surface of the rail and is mainly influenced by the surface roughness. A concept is proposed that demonstrates one crucial parameter of the roughness determines surface deformation (based on results of a sinusoidal roughness model). This roughness parameter depicts the ratio between asperity height and width. Numerical validation is achieved for predicting plastic shear strains in rough surfaces. The plastic shear strain is associated with surface damage, such as cracks and wear.     

地铁线路曲线段磨耗状态下轮轨滚动接触有限元分析

基于城市轨道交通曲线段不同磨耗程度的典型钢轨和车轮的实测型面,利用有限元分析软件ANSYS建立曲线段轮轨三维弹塑性接触有限元模型,对三种不同轮轨磨耗型面匹配工况下的地铁车辆的曲线通过性能以及轮轨接触应力进行计算分析,分析不同磨耗状态下车轮和钢轨接触时的接触应力和轮轨应力的分布状态,并研究其对钢轨磨耗的影响。发现钢轨使用初期,由于轮轨廓形不一致,轮轨间易出现应力集中,应力集中部位易出现磨损;随着钢轨侧磨的增加,轮轨接触状态逐渐由一点接触变为两点接触,且接触点的塑性变形部分和弹性部分的过渡区间易出现裂纹;两点接触状态下,外侧轨距角处接触面积及应力集中区域远大于钢轨侧面部分,轨距角易出现较大的接触压力,易加速钢轨磨耗与疲劳伤损的产生。     

A Model for the Assessment of Wheel–Rail Contact in the Presence of Solid Contaminants

An analytical model for the assessment of a contact in the presence of a solid contaminant is presented, mainly aimed at studying the damage to railway wheels and rails operating in third-body-contaminated environments. The model, developed under 2D plane strain idealization, includes multiple evenly spaced rigid cylindrical contaminant bodies entrapped between two elastic cylinders. It allows a very fast calculation of the pressure distribution on the surfaces in contact and it can be used for evaluating the stress field in the subsurface region, at both the small scale of the contact between the main body and the contaminant body and the full scale of the contact between the two main bodies. The model was validated by comparison with finite element (FE) analyses, showing its accuracy. Some examples of application showed the model’s ability to predict the limit of the influence of the solid contaminant bodies and the depth where cyclic plasticity phenomena occur in wheel–rail contacts.     

轮轨关系研究中的力学问题

简单论述世界铁路发展状况和铁路交通运输的优越性。详细论述轮轨关系的研究问题,其研究包含轮轨滚动接触作用和稳定性问题、轮轨粘着和强度、接触表面磨损和滚动接触疲劳破坏、轮轨噪声、轮轨蠕滑率／力理论和轮轨三维弹塑性滚动接触问题。在这些问题研究中,蕴涵十分复杂的力学和强度问题。文中就这方面的研究现状和存在问题以及问题研究的难点进行讨论,并分析今后可能的研究方向。     

小车轮压作用处偏轨箱形梁主腹板的局部应力研究

小车轮压作用下,轨道与偏轨箱形梁之间力的传递属于接触非线性问题,接触面间的变形和应力分布存在相互耦合的关系。本论文的主要内容：将Hertz接触理论和有限元软件ANSYS结合起来,把主腹板的局部受力问题视为小车轮与轨道及轨道与上翼缘板之间发生接触行为作用下的受力问题,建立了小车轮压作用处偏轨箱形梁主腹板局部受力的接触分析模型,研究不同情况（小车轮压、箱形梁几何参数和轨道截面惯性矩）下局部应力的变化规律,得出相关结论;最后将经验公式解与ANSYS数值解进行对比分析论证。研究结果表明：ANSYS数值解的主要影响因素为小车轮压、主腹板厚度和轨道截面惯性矩;通过在相同情况下对比2种解,得出ANSYS数值解与经验公式解在数值上很接近,经验公式解能够满足工程实际需要。     

硬化深度对港口起重机车轮接触应力的影响

在建立港口起重机轮轨接触的三维实体模型的基础上，通过商业软件ANSYS建立了车轮材料不做硬化、硬化10mm、硬化25mm、全部硬化4种有限元模型；计算了这4种模型点接触和线接触2种轮轨接触模型的接触应力和接触面积，并与相应的赫兹理论值对比。通过对不同车轮硬化处理方式的接触应力和接触面积的比较，分析硬化处理对车轮接触的影响。     

冲角对低地板车辆轮轨接触状况的影响

针对城市轨道交通中低地板车辆车轮经常出现的轮缘严重磨耗现象,研究其轮轨接触状况,由于城市轨道交通中小半径曲线较多,存在较大的冲角,为研究冲角对轮轨接触状况的影响,利用轮轨型面测量仪测量运用中的70%低地板车辆车轮与钢轨型面,建立具有不同冲角的车轮与钢轨接触模型,在横向力与牵引力矩作用下应用非线性有限元法进行弹塑性接触计算,分析不同工况下的等效应力及接触斑的变化规律,研究冲角、横向力与牵引力矩对钢轨接触状况的影响。通过计算分析得出以下结论：具有不同冲角的轮轨接触斑形状几乎相同,踏面接触斑近似矩形,轮缘接触斑相对狭长,容易造成轮缘磨耗;冲角增大,轮缘接触斑相对踏面接触斑的超前值增大;随着冲角的增大,轮轨最大等效应力逐渐增大,磨耗功率增大,故在轮轨型面匹配和车辆结构设计中应尽量将轮轨冲角控制在1°以内。     

Investigation into the Normal Contact Stiffness of Rough Surface in Line Contact Mixed Elastohydrodynamic Lubrication

In this work, the statistical asperity microcontact models in combination with the acoustic spring model and the load sharing concept are utilized to study the interfacial normal contact stiffness for a rough surface in line contact elastohydrodynamic lubrication (EHL). Two different statistical microcontact models of Greenwood and Williamson (GW) and Kogut and Etsion (KE) are employed to derive the normal contact stiffness expressions for a dry rough line contact considering the purely elastic contact and the multiple regimes elastic–elastoplastic–fully plastic contact, respectively. The liquid film stiffness is calculated based on the relationship between film thickness and bulk modulus of the lubricant. The lubricant film thickness equations are employed in conjunction with the load sharing concept and the empirical formulas for the maximum contact pressure in a dry rough contact are fitted for the GW model and the KE model, to evaluate the relationship between film thickness and motion velocity for the purely elastic GW microcontact model and the multiregime KE microcontact model, respectively. The comparison with experimental results shows that the KE model predicts closer total contact stiffness results than the GW model. The stiffness contributions from the solid asperity contact and lubricant film are obtained and effects of surface roughness, applied load, motion velocity, and type of lubricant on the normal contact stiffness are analyzed.