柔性转子弹性对行波旋转超声电机接触特性的影响

转/定子间动态接触过程决定行波旋转超声电机(TRUM)的输出性能,但是柔性转子弹性在以往界面接触特性研究中常被忽略.本文中基于建立的考虑柔性转子和摩擦层三维弹性的转-定子动力学耦合模型,从接触界面的接触状态、速度、接触应力、摩擦应力驱动和阻碍子区等空间分布角度,研究了柔性转子弹性对TRUM摩擦界面的动态接触行为和摩擦损耗的影响.结果表明：柔性转子在轴向、径向和切向均呈现出一定的振动速度,且在接触界面沿圆周方向与定子各向速度形成一定的相位关系,显著影响界面动态接触特性、摩擦特性和摩擦损耗;柔性转子与定子轴向位移分布的相位一致性表明,定子与摩擦层的接触界面具有类齿轮啮合机制;与以往中间驱动两端阻碍的分布结果不同,考虑转/定子动力学耦合的接触区摩擦应力分布为一端驱动和一端阻碍的新机制.计算结果表明在建模过程中忽略柔性转子弹性得到的界面摩擦损耗要比考虑柔性转子弹性获得的摩擦损耗大得多,主要原因：(1)柔性转子径向刚度小,摩擦力作用下接触区的运动方向与定子相同,从而减小了径向速度差和径向摩擦损耗;(2)柔性转子界面的切向振动特性,改变了接触界面黏-滑子区分布,使得行波远离端的摩擦应力阻碍子区消失...     

基于分子动力学-格林函数法的分形粗糙表面摩擦行为研究

任何物体间的表面摩擦均可看成是粗糙面间的摩擦,且大部分粗糙表面具有分形特征.为探究分形粗糙表面的摩擦行为,利用分子动力学-格林函数法(GFMD)建立微观分形粗糙表面模型,采用位移加载控制分形粗糙表面的接触和摩擦过程,并根据广度优先搜索算法识别接触团簇分布.之后分别计算原子尺度、接触团簇尺度和界面尺度下的最大摩擦系数与摩擦力,并利用影响矩阵法研究摩擦过程中接触团簇之间的相互作用,分析接触团簇之间的距离和面积对相互作用的影响.结果表明:在摩擦过程中,摩擦系数从小尺度到大尺度逐渐减小;摩擦力随位移呈现周期性波动,接触团簇并非同时达到最大摩擦力,而是发生局部滑移,整体滑移模型预测的摩擦力是分子模拟结果的上限值;所提出的影响矩阵法可以较好地模拟接触团簇之间的相互作用,利用影响矩阵计算得到的最大摩擦力与GFMD模型结果基本一致,而不考虑局部滑移影响计算得到的最大摩擦力比GFMD模型结果大20%,并且接触团簇之间的相互作用与距离成反比,与面积成正比.结果可为粗糙表面的界面分析和优化提供理论依据.     

对称截面梁在弯扭时的弹性接触分析

本文对不同刚度、不同长度、不同支承条件的具有对称截面的重叠梁,在任何载荷作用下产生的弯扭变形而引起的接触问题进行了分析,导出了单侧线接触、双侧线接触时的压力分布规律及点接触定理;给出了一个静不定梁算例,当外载变化时将出现单侧接触区、双侧接触区与点接触的复杂情况,而数值计算描述了当外载增长时接触区与反力变化的发展过程。     

Reddy高阶组合梁弯曲的一般解析解法

基于Reddy高阶梁的轴向位移模式,考虑组合梁界面滑移变形,利用最小势能原理建立了Reddy组合梁弯曲问题的控制微分方程和边界条件,,并将控制方程转化为含12个基本未知量的一阶常微分方程组,给出一般求解方法和解表达式。其次,研究了横向均布荷载作用下Reddy简支组合梁的弯曲,所得结果与有限元解吻合良好,说明本文解析解的有效性和可靠性。最后,数值分析了组合梁界面滑移剪切刚度kcs、弹性模量-剪切模量比E/G、梁长-高比L/h和子梁厚度比hs/hc等参数对Reddy简支组合梁弯曲的影响。分析表明：滑移刚度显著影响横截面应力的分布;组合梁长-高比越小、弹性模量-剪切模量比越大或界面滑移刚度越大,组合梁的剪切效应对其挠度影响越显著,此时不宜忽略其剪切变形。     

考虑收缩徐变影响的新旧混凝土叠合梁单元刚度矩阵改进

混凝土自身的收缩徐变会在新旧混凝土叠合梁中使应力重分布.为了计算重分布应力,首先推导以挠度表达的叠合梁非线性微分方程,然后通过求解该微分方程,引入位移形函数、刚度形函数和等效节点载荷形函数,最后得出新混凝土梁、旧混凝土梁和Goodman弹性夹层三合一的叠合梁改进型单元刚度矩阵和等效节点载荷,从而为收缩徐变影响下的混凝土的内力计算提供了一种有效的新方法.文中还进行了实例验证分析,并从中得出了一些有益的结论.     

预应力钢桁架结构分析中的摩擦滑移索单元

为精确模拟预应力钢桁架中连续长索在支撑点的滑动,本文创建了一种考虑摩擦力影响的新单元。被称为摩擦滑移索单元的新单元有三个节点,中间节点为支撑点。本文首先利用弹性悬链线的解析解,建立了弹性悬链线单元,并推导了单元两端点的张拉刚度。摩擦滑移索单元由两个弹性悬链线单元组合而成,根据支撑点处索的滑动方向、索力差、滑动摩擦力和滑移刚度调整两索段的原长,使支撑点两侧的索力满足给定的摩擦关系。算例验证了新单元算法的正确性和高效性,对设计的预应力钢桁架的分析,显示了张拉过程中及使用荷载作用下新单元在结构分析中的应用。新单元可直接用于常规的有限元分析,研究在工作状态或施工中存在连续长索滑移的索结构。     

体外预应力索与简支梁耦合振动的特性

体外预应力结构是一种由体外索和普通结构组成的预应力组合结构,被广泛地应用在各类结构中。基于体外预应力索与梁耦合振动的振动特性,建立体外预应力梁振动模型,推导出了不同体外预应力束线型等直线弹性梁的自振频率方程。在体外预应力钢束混凝土梁电磁激振器扫频试验中,测试了不同预应力条件下梁的基频。理论和试验研究表明体外预应力束线型、预应力束拉伸刚度和梁振型模态对梁自振频率的影响是明显的。     

含旋转运动效应裂纹梁横向振动特性的研究

针对开口裂纹作用下旋转运动欧拉-伯努力梁的振动特性进行了研究。文中使用裂纹梁连续等效刚度模型模拟裂纹效应,将含裂纹旋转运动梁视为弯曲刚度沿梁长度方向连续变化的梁,并应用传递矩阵法推导了求解其振动特性的特征方程。考虑不同裂纹深度和位置、不同旋转速度,分析了梁的一阶和二阶固有频率的变化情况。研究结果表明:旋转运动效应和裂纹效应并非独立影响梁的固有频率,两者间具有耦合作用效应;转速提升使由裂纹导致的频率衰减幅度变小,同时裂纹加深使得由速度升高带来的阶频提升更加显著;相比于二阶频率,耦合作用效应对于一阶频率更加显著。     

半刚接钢框架的动力分析

推导了半刚接钢框架动力有限元的质量矩阵和刚度矩阵．建立了具有不同节点初始刚度的半刚接多层钢框架及相应刚性框架的计算模型．采用ANSYS软件进行数值模拟分析，研究了节点刚度对结构自振频率的影响以及结构在谐振荷载作用下的响应，对地震波激励下的结构进行了时程分析．分析结果表明不半刚接框架节点的柔性对结构自振频率产生较大的影响，节点柔性越大，结构自振频率降低也越大，结构的抗震设计应考虑节点柔性的影响；半刚接钢框架顶点位移和柱底剪力时程曲线在地震波激励时间内表现出良好的稳定性，柔性连接可以代替刚性节点用于抗震区的钢框架设计中．     

预应力混凝土梁桥在移动荷载作用下的动力响应分析

建立预应力钢筋混凝土等直梁强迫振动的运动微分方程,分析了梁在预应力钢筋作用下的横向振动问题.将运动微分方程解耦,得到梁在预应力作用下自振频率的解析解以及梁振动时的动力响应.分析了梁的自振频率与预应力和偏心距的关系.通过实例计算,得到了关于不同速度移动荷载车辆作用下梁的动力挠度曲线,并给出了考虑预应力和不考虑预应力时梁的动力效应比较.结果表明:随着车辆荷载移动速度的增大,梁的动力挠度随之增大;考虑预应力时梁的动力效应略有降低.     

干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型

为揭示干气密封滑动摩擦界面高频微幅自激摩擦振动规律，用分形参数表征摩擦界面形貌特性，根据重新建立的微凸体接触变形方式，以及对非协调弹性体在切向力作用下初始滑动问题的研究，建立了干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型. 通过数值对切向接触刚度的影响因素进行了分析，研究结果表明:切向接触刚度随分形维数、真实接触面积和材料特性系数的增大而增大；切向接触刚度随特征尺度、摩擦系数的增大逐渐减小. 相比于分形维数、特征尺度和材料特性系数对切向接触刚度的影响，摩擦系数的影响相对较小. 这些研究结果为进一步研究干气密封高频微幅自激摩擦振动奠定了基础.      

A friction contact stiffness model of fractal geometry in forced response analysis of a shrouded blade

To investigate the nonlinear vibration behavior of a shrouded blade with friction dynamic contact interface, a friction contact stiffness model is proposed to describe the friction force at different rough interfaces and different normal loads. In the proposed model, the friction contact interface is discretized to a series of friction contact pairs and each of them can experience stick, slip, or separate states. Fractal geometry is used to simulate the topography of contact surfaces. The contact stiffness is calculated using the Hertz contact theory and fractal geometry, which is related to contact interfaces parameters including normal load, roughness, Young??s modulus, and Poisson??s ratio. The trajectory tracking method is used to predict the friction force and it is not necessary to judge the transition condition among stick, slip, and separate states. It is suitable for complicated periodic motion of the contact interfaces. The forced response of a real shrouded blade is predicted using the proposed model and the multi-harmonic balance method. The effect of surface roughness, initial normal load, and contact area on the forced response of a shrouded blade is studied. It is shown that contact stiffness increases with normal load and fractal dimension. The resonant amplitude is sensitive to the initial normal load and contact surface roughness. The response can be influenced by the contact area, which is an important parameter for blade designers.     

GCr15钢-CVDCr_7C_3镀层摩擦副摩擦振动的研究

本文系统地研究了GCr15钢球-CVDCr_7C_3镀层钢盘摩擦副滑动干摩擦引起的摩擦力(切向力)振动特性及其对材料摩擦磨损性能的影响。试件系统在垂直和水平方向上均处于低刚度、小阻尼状态。试验信号由微机采集、处理并进行频谱分析。结果表明,摩擦力振动的类型与正压力有关,而与拖动速度无关;摩擦力呈周期性自持振动时具有与相对滑动速度典型的非线性关系,振动频率接近(略低)于系统在切向的固有频率,而与拖动速度无关;摩擦力呈非平稳随机振动时,振动频率与系统在法向的振动频率有关,而与系统在切向的固有频率及拖动速度都无关;摩擦偶件运动的平稳性与摩擦力振动的类型有关,而与平均摩擦系数无关;摩擦力所耗费的能量与正压力呈比例关系。     

盘-销摩擦系统摩擦接触力测试与特性分析

测量分析动态摩擦接触力是研究摩擦振动与噪声发生机理的关键.本文中建立了盘-销系统摩擦尖叫试验台架,成功再现了摩擦尖叫.采用三向力传感器对有无摩擦尖叫条件下的动态摩擦接触力进行了测量,并利用小波信号分解、概率密度函数、功率谱密度函数、时频分析等方法进行了分析和讨论.研究发现:在发生摩擦尖叫时,动态摩擦力和法向力发生高频波动,是系统噪声的激励源;无摩擦尖叫时的摩擦力和法向力的动态分量为典型的白噪声随机过程,呈非高斯分布;有摩擦尖叫时的摩擦力和法向力为窄带高频类谐波信号,摩擦力呈非高斯分布,而法向力近似为高斯分布;模态耦合是导致盘-销系统发生动态接触力高频波动以及摩擦尖叫的原因.     

受限颗粒体对制动系统非线性振动的影响

制动系统在工作时,往往受到沙粒、尘土以及磨屑等受限颗粒体的影响,这些受限颗粒体在摩擦副中的高度分布具有较强的随机性,一定程度诱发了制动系统的非线性振动. 本文中基于制动片切向振动模型,引入了新的受限颗粒体摩擦模型,提出了用波动系数来描述受限颗粒体高度分布随机性的强弱. 发现在特定参数下,当此系数为0时,制动片切向振动为周期运动;但是当此系数不为0时,制动片切向振动呈现拟周期或混沌运动,此时的切向振动分岔特性图的稳定轨道也会出现数量或分布的变化,甚至表现出混沌特性. 同一时变信号内,受限颗粒体引发制动片切向非线性振动包括发散、收敛以及拟周期运动等多种形式.      

沟槽型织构化表面摩擦噪声特性试验研究

用电火花加工方法在制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出不同沟槽宽度和间距的沟槽型表面织构,在自行研制的新型摩擦噪声试验装置上,采用球-平面接触方式,选取直径10 mm的GCr15球为对摩副,对沟槽型织构表面和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,研究沟槽型织构对摩擦噪声的影响.结果表明:本试验条件下沟槽型表面织构的尺寸及分布对摩擦噪声具有重要影响,一定尺寸及分布的织构表面可明显降低摩擦噪声.本试验条件下的摩擦噪声产生主要归因于接触表面的不平顺、磨屑层不均匀分布以及犁削作用等界面因素,这些因素导致了界面摩擦力高频成分的产生,当其与系统的自然频率耦合时,将引起摩擦系统强烈的自激振动并最终产生摩擦噪声.而摩擦界面存在尺寸分布合理的沟槽型表面织构,将能提高界面排屑能力并打断摩擦界面连续的接触,扰乱摩擦系统的自激振动,抑制摩擦噪声的产生.     

柔性梁斜碰撞问题的非线性动力学建模和实验研究

本文研究柔性梁点面斜碰撞问题。用Hertz接触模型处理法向撞击力,分别用Hertz切向接触模型和Coulomb摩擦力模型处理粘滞状态和滑动状态的摩擦力。从精确的应变与位移的关系出发,用绝对节点坐标法建立了柔性梁的动力学方程。为了准确地处理斜碰撞切向运动的复杂状态,提出滑动-粘滞切换的准则,在此基础上,设计了斜碰撞实验,数值对比了法向撞击力和法向速度的时间历程的仿真计算结果与实验结果,验证了Hertz理论在斜碰撞情况下的正确性。另一方面切向速度的实验与理论的结果对照表明滑动-粘滞切换准则的有效性。     

压电层合梁静动力学分析的高精度梁单元

给出了一个对复合材料压电层合梁进行数值分析的高精度压电层合梁单元。基于Shi三阶剪切变形板理论的位移场和Layer-wise理论的电势场,用力-电耦合的变分原理及Hamilton原理推导了压电层合梁单元列式。采用拟协调元方法推导了一个可显式给出单元刚度矩阵的两节点压电层合梁单元,并应用于压电层合梁的力-电耦合弯曲和自由振动分析。计算结果表明,该梁单元给出的梁挠度和固有频率与解析解吻合良好,并优于其它梁单元的计算结果,说明了本文所给压电层合梁单元的可靠性和准确性。研究结果可为力-电耦合作用下压电层合梁的力学分析提供一个简单、精确且高效的压电层合梁单元。     

包含几何误差的机械结合面法向刚度研究

对包含几何误差的机械结合面进行离散化,离散后的微表面的基准平面高度满足结合面几何误差分布.每个微表面内,微凸体的高度只受粗糙度的影响.基于接触理论建立了微表面的法向刚度模型,通过对微表面模型集成获得了结合面的法向刚度模型.通过对所建模型的数值仿真,揭示了结合面法向刚度与间隙的非线性关系,几何误差的幅值和波长对法向刚度的影响以及非线性刚度对结合面振动特性的影响.计算结果表明:法向刚度随着间隙的减少而迅速增加,几何误差会导致结合面宏观上的局部接触和应力集中;在相同干涉量下,法向刚度随着几何误差幅值的增加而增加,但与结合面的波长没有关系;非线性刚度会导致结合面固有频率的下降和振动位移的不对称.     

水工圆形隧洞围岩衬砌摩擦滑动接触的新解法

在实际工程中,围岩和衬砌接触时,它们之间并非完全光滑,也并非可以承受任意大的摩擦力.如果围岩与衬砌之间的剪应力大于所能承受的最大静摩擦力,接触面间将发生切向滑动,定义接触面上产生最小滑动量的状态为衬砌的真实工作状态,这种接触即为摩擦滑动接触.以库仑摩擦模型模拟围岩和衬砌之间的摩擦滑动接触,在考虑支护滞后效应的前提下,利用平面弹性复变函数方法列出了应力边界条件、应力连续条件以及位移连续条件的方程, 再结合最优化理论,建立了具有一般性的摩擦滑动接触解法.在利用混合罚函数法求解最优化问题的过程中,减少了设计变量的个数,极大地简化了优化模型,提升了优化过程的迭代速度以及优化结果的精度.以此为基础,获得了围岩和衬砌相互作用下圆形水工隧洞的应力解析解.该方法可以求解光滑接触和完全接触两种极限情况,具有一般性.同时,利用一种精确的计算方法得到了不同情况下满足完全接触条件摩擦系数的阈值,还分析了衬砌和围岩边界上切向应力的变化规律.