摩擦过程中真实接触面积的灰色分析

灰色系统理论是近几年以随机过程为研究对象而形成和发展起来的，在农业和自动控制等方面的研究与应用发展较快．为了使这种理论应用于摩擦学研究领域，从光全反射测量和计算机数值计算两方面，考察了粗糙表面接触时真实接触面积的随机特性，指出摩擦过程中的真实接触面积是一种含有随机成分的变化量，研究目标应当侧重于真实接触面积的变化趋势和范围，而不是它的精确解．在此基础上，首次利用灰色系统理论，分别对静态和动态接触条件下真实接触面积的变化规律进行了灰色分析，建立了精度比较高的预测真实接触面积的灰色模型ＣＭ（１，１）．这种模型对动、静接触面积的计算值与实测值具有良好的一致性，可以用于动态跟踪描述摩擦过程中真实接触面积的变化规律     

采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制

对采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制进行了理论与试验研究.应用 LQG最优控制法设计了主动控制律,在控制律降阶时提出了平衡实现与LK法结合使用的新途径,在对不定常气动力进行有理函数拟合时对LS法进行了改进.试验中利用激光测速仪非接触测量模型的速度响应并在地面共振试验中用压电驱动器激振模型.颤振风洞试验结果表明,理论计算合理并与试验结果吻合良好.     

摩擦副瞬时实际接触面积与动静过渡过程摩擦力的关系

摩擦副瞬时实际接触面积是描述摩擦过程的重要参数。接触电阻法是过去测量接触参数的常用方法。然而已经证明,接触电阻与接触面积不成比例,因而不能以接触电阻表征实际接触面积。研究结果表明,超声波是探测摩擦副实际接触面积的理想方法。作者通过试验确定了静态时正压力-实际接触面积-摩擦力的关系、相对滑动速度—接触面积的关系和接触面积—相对静止持续时间的关系等,并在此基础上又以摩擦副瞬时实际接触面积为主参数,描述了干摩擦下的动静过渡过程。     

渐开线齿轮接触应力测量实验方法研究

采用光弹性三维剪应力差法对接触应力进行了研究.根据相似原理将模型在载荷作用下进行应力冻结;通过模型切片及分析对渐开线齿轮接触应力进行测量,并采用赫兹接触理论和有限元方法分析渐开线齿轮的接触应力.试验结果表明,接触正应力小于Hertz接触理论解及有限元计算结果.因接触点的应力梯度很大,剪应力差法受网格密度的制约,均化了接触点的实际应力梯度.但是,其误差仍在合理范围内,完全可以满足工程需要.试验测量值与赫兹接触应力理论值及有限元结果的比较表明,该方法是合理可行的.     

用边界元法分析有摩擦弹性接触问题的一个新方法

本文提出了用边界元法分析有摩擦弹性接触问题的一个新方法,即边界元混合法。该方法是用边界元法先求出接触边界的接触内力的影响系数矩阵,再由接触边界的连续性条件求解接触内力,将接触面上的几何非线性转化到局部求解,使接触迭代的计算量大大降低。通过实例,将求出的计算结果同理论解以及其它数值方法的结果进行了比较,表明该方法是非常有效的。     

表面力仪及固体表面微观接触机理的实验研究

利用以等色序条纹技术为核心的表面力仪,使２个分子级光滑的圆柱状云母表面在一定载荷下接触,测量其接触区尺寸和接触表面和变形情况。在两表面间使用不同介质以进行有粘着接触和无粘着接触２种条件下的实验,并将测量结果与Ｈｅｒｔｚ理论（无粘着接触）和ＪＫＲ理论（有粘着接触）进行对比。发现在无粘着接触条件下的试验结果与Ｈｅｒｔｚ理论相吻合;而在有粘着接触条件下则测量到了ＪＫＲ理论所预言的“颈缩”现象。     

焦散线法与应力“解冻”法相结合分析弹性半空间接触问题

本文将焦散线法实验技术与三维光弹性中切片“解冻”技术结合起来,分析了半空间体在边界上受切向和法向集中力作用时的接触问题。实验得到的焦散线图象与理论结果符合良好,从而为焦散线法的应用开辟了新的有效途径。本文的最后,提出了一个测定光弹性材料冻结时力学性能的新方法,实验结果与用拉伸试件测得的结果比较,两者吻合良好。     

滑动轴承二维动态摩擦接触的分析研究

应用边界单元法研究了滑动轴承动态摩擦时的接触力学性质,揭示了接触压力分布的不对称性;讨论了载荷,摩擦系数等因素对不对称性的影响,认为摩擦系数可使峰值接触压力降低和接触面积增加,增大载荷会使接触压力分布的不对称性更为明显,接触压力分布的不对称意味着磨损分布的不对称。同时分析了实际工作中滑动轴承摩擦副间的当量摩擦系数,指出在滑动试验研究中应采了当量摩擦系数。     

粗糙表面之间接触热阻反问题研究

当两个固体表面相互接触时,由于接触面粗糙度的影响,界面间就形成了非一致接触,这种接触导致热流收缩,进而产生接触热阻. 目前的理论研究主要集中在正问题研究,对反问题的研究相对较少. 接触热阻反问题研究是通过研究部分边界温度、热流和部分测量点的温度来反演得到界面上的接触热阻. 反问题研究在很多工程领域都有应用,如航空航天、机械制造、微电子等,是工程中确定接触热阻一种快速有效的方法. 本文采用边界元法和共轭梯度法研究了二维空间随坐标变化的接触热阻反问题. 为了验证方法的准确性和可行性,假定在已知部分测量点温度和真实接触热阻的情况下,反演计算得到界面的温度和热流,进而得到接触热阻,并与真实接触热阻进行比较. 结果表明采用边界元法和共轭梯度法在无测量误差的情况下,可以准确反演获得界面的真实接触热阻. 若存在测量误差,反演计算结果对测量误差极其敏感,反演结果误差会由于测量误差的引入而被放大. 为处理这种不适定性, 采用最小二乘法对反演计算结果进行校正,结果表明采用最小二乘法能够避开反问题中一些偏离实际值较大的测量点,显著提高反演计算结果的准确性.      

粗糙表面之间接触热阻反问题研究

当两个固体表面相互接触时,由于接触面粗糙度的影响,界面间就形成了非一致接触,这种接触导致热流收缩,进而产生接触热阻.目前的理论研究主要集中在正问题研究,对反问题的研究相对较少.接触热阻反问题研究是通过研究部分边界温度、热流和部分测量点的温度来反演得到界面上的接触热阻.反问题研究在很多工程领域都有应用,如航空航天、机械制造、微电子等,是工程中确定接触热阻一种快速有效的方法.本文采用边界元法和共轭梯度法研究了二维空间随坐标变化的接触热阻反问题.为了验证方法的准确性和可行性,假定在已知部分测量点温度和真实接触热阻的情况下,反演计算得到界面的温度和热流,进而得到接触热阻,并与真实接触热阻进行比较.结果表明采用边界元法和共轭梯度法在无测量误差的情况下,可以准确反演获得界面的真实接触热阻.若存在测量误差,反演计算结果对测量误差极其敏感,反演结果误差会由于测量误差的引入而被放大.为处理这种不适定性,采用最小二乘法对反演计算结果进行校正,结果表明采用最小二乘法能够避开反问题中一些偏离实际值较大的测量点,显著提高反演计算结果的准确性.     

用声显微镜技术测量真实接触面积的研究

为了研究表面接触对润滑状态的影响，利用ＴＨＳＡＭ－５超声显微镜配以专门设计的辅助试验装置，测得了铝片－钢球的真实接触面积分别随载荷和加载时间变化的声学像，以及润滑剂的存在对测量结果的影响，发现真实接触面积是随着加载时间的延长而增大，而且载荷越大，真实接触面积越大，这是接触点发生塑性变形的结果。研究表明，声显微镜技术是测量真实接触面积的一种可行方法，但要将其作为一种定量测量手段却还有待于进一步的研究     

Ultrasonic assessment of rough surface contact between solids from elastoplastic loading-unloading hysteresis cycle

An ultrasonic method to characterize the elastoplastic contact between two rough surfaces is presented. Ultrasonic experiments are performed on three different interfaces formed by aluminum surfaces with different levels of roughness. The frequency-dependent ultrasonic reflection coefficient from the interface is measured during loading and unloading cycles as a function of pressure, from which the ultrasonic interfacial contact stiffness is reconstructed by the least-squares inversion procedure. It is shown that one should distinguish between the ultrasonic (dynamic) interfacial stiffness and static interfacial stiffness for rough surfaces in elastoplastic contact (they are identical for purely elastic contact). It is shown that ultrasonic stiffness is associated with local unloading stiffness. An elastoplastic micromechanical model is used to describe the plasticity-induced hysteresis in the ultrasonically measured interfacial stiffness during loading-unloading cycles. The topographic parameters of the interface contact are reconstructed by matching the model-predicted results with the experimentally determined ultrasonic stiffness. Using these parameters the real area of contact, which is not directly measurable, is predicted during loading-unloading cycles using the model.     

粗糙表面接触分形模型的提出与发展

自表面接触塑性变形模型问世以来，经过近４０年的发展，已经形成以分形几何理论为基础的Ｍ－Ｂ粗糙表面接触分形模型．Ｍ－Ｂ模型以分形参数代替统计学参数表征粗糙表面，推导出了实际接触面积与载荷的关系，以及实际弹性接触面积和实际塑性接触面积的计算公式，指出了影响接触面变形性质的因素与规律．由于分形参数的尺度独立性，可望利用Ｍ－Ｂ模型对接触面积的预测不受测量仪器分辨率和取样长度等因素的影响，故其比基于统计分析的Ｇ－Ｗ接触模型更为合理．尽管如此，Ｍ－Ｂ模型还有待完善，多方面的问题尚待进行深入研究     

基于分子动力学-格林函数法的微凸体接触数值分析

表面接触是摩擦的先决条件,其真实接触面积、压应力大小、空间分布等一直是接触力学关注的核心问题.采用分子动力学-格林函数法(GFMD)模拟粗糙面的接触过程,验证了其在大规模接触分析中的高效及准确性,同时探讨了由微球体组成的粗糙面的接触力学特性,并分析了分子尺度下的结果和传统力学模型计算结果的差异.结果表明,单个微凸体接触结果和分子动力学-格林函数法模拟所得非常接近,误差在5%以内.数值模拟发现,在微凸体高度符合高斯分布的情况下,接触面积和接触力成线性关系;在相同接触面积下,微凸体模型得出的接触力偏高,是上限值.微凸体模型没有考虑微凸体间的相互影响,实际是高估了弹性体的刚度;实际接触过程中微凸体相互影响,微凸体对临域形变影响尤其大,使接触区域更加离散.GFMD模型可以准确计算数十亿量级别分子、原子接触过程中真实接触面积及分布,为后续摩擦、滑移等分析提供可靠的参考.     

The Tribological Effect of Mechanically Produced Micro-dents by a Micro Diamond Pyramid on Medium Carbon Steel Surfaces in Rolling-sliding Contact

In order to evaluate the effects of micro-pockets on the lubrication and the pitting durability of medium carbon steel surfaces, in the present paper, using the roller with a small number of micro-dents marked by a diamond pyramid whose total area was, to minimize the effect of work-hardening, set negligibly small compared to the contact area as the follower in a two-roller testing machine, the pitting durability was tested under poor lubrication conditions and/or severe loading levels. The results successfully demonstrate the effect of such micro-pockets on the pitting durability and scuffing resistance of surfaces in rolling-sliding contact.     

粗糙表面接触力学问题的重新分析

为了克服基于统计学参数的接触模型的尺度依赖性以及现有接触分形模型推导过程中初始轮廓表征受控于接触面积或取样长度的不足,基于粗糙表面轮廓分形维数$D$、尺度系数$G$ 和最大微凸体轮廓基底尺寸$l$,建立了新的粗糙表面接触分形模型,探讨了微凸体变形机制、粗糙表面的真实接触面积和接触载荷的关系,揭示了接触界面的孔隙率和真实接触面积随端面形貌、表面接触压力等参数变化的规律,给出了不同形貌界面被压实的最大变形量. 结果表明:微凸体变形从弹性变形开始,并随着平均接触压力$p_{\rm m}$ 的增大逐步向弹塑性变形和完全塑性变形转变;接触界面的初始孔隙率$\phi_{0}$ 随$D$ 的增大而增大,压实孔隙所需要的最大变形量$\delta $ 也随之增大;接触压力$p_{\rm c}$ 增大,孔隙率$\phi$ 减小,并随着$D$ 的增大和$G$ 减小,$\phi$ 快速减小,直至填实,变为零;$D$ 较小时,$G$ 的增大对真实接触面积的增大影响较小;$D$ 较大时,$G$ 的增大对真实接触面积的增大作用明显. 研究成果为端面摩擦副的润滑与密封设计提供了理论基础.      

A SMOOTH C1 INTERPOLATION FOR TWO-DIMENSIONAL CONTACT PROBLEMS USING PARAMETRIC CURVE TECHNIQUE

A smooth C1 interpolation for two-dimensional contact problems using paxametric curve technique was developed and implemented. The parametric curve can ensure C1 continuity of the contact surfaces and provide a unique surface normal vector. Some numerical examples were used to illustrate the advantages of the newly developed representation of contact surface. The results reveal a significant improvement in the prediction of contact stresses and contactarea. The predicted contact stresses are less sensitive to the mismatch in meshes of the different contacting bodies.     

结合部切向接触刚度分形模型研究

根据球体与平面接触的切向接触刚度和粗糙表面的接触分形理论，从理论上首次建立了结合部切向接触刚度分形模型，该模型具有尺度独立性。通过对所建模型的数字仿真，直观地给出了结合部切向接触刚度与其影响因素之间的非线性关系，并与实验研究结果具有较好的一致性，从而说明了该模型是合理的。     

Asperity contact theories: Do they predict linearity between contact area and load?

During the last few years, the scientific community has been debating about which theory of contact between rough surfaces can be considered as the most accurate. The authors have been attracted by such a discussion and in this paper try to give their personal thought and contribution to this debate. We present a critical analysis of the principal contact theories of rough surfaces. We focus on the multiasperity contact models (which are all based on the original idea of Greenwood and Williamson (GW) [1966. Proc. R. Soc. London A 295, 300]), and also briefly discuss a relatively recent contact theory developed by Persson [2001. J. Chem. Phys. 115, 3840]. For small loads both asperity contact models and Persson's theory predict a linear relation between the area of true contact and the applied external load, but the two theories differ for the constant of proportionality. However, this is not the only difference between the two approaches. Indeed, we show that the fully calculated predictions of asperity contact models very rapidly deviates from the predicted linear relation already for very small and in many cases unrealistic vanishing applied loads and contact areas. Moreover, this deviation becomes more and more important as the PSD breadth parameter α (as defined by Nayak) increases. Therefore, the asymptotic linear relation of multiasperity contact theories turns out to be only an academic result. On the contrary, Persson's theory is not affected by α and shows a linear behavior between contact area and load up to 10–15% of the nominal contact area, i.e. for physical reasonable loads. The authors also prove that, at high separation, all multiasperity contact models, which take into account the influence of summit curvature variation as a function of summit height, necessarily converge to a (slightly) improved version of the GW model, which, therefore, remains one of the most important milestones in the field of contact mechanics of rough surfaces.