基于三维各向异性分形理论的固定机械结合面法向接触刚度建模研究

摘要：将结合面微凸体拓展为椭球体,基于KE有限元模型,类比球形微凸体在弹塑性接触变形阶段法向载荷、接触面积以及变形量之间的关系,根据椭球体的弹性接触理论,采用代入法得到了表征椭球形微凸体弹塑性接触变形机制的对应关系式。结合三维各向异性分形几何理论得到了结合面接触点离心率的有效区间为[0,0.7374],在此基础上,假设结合面接触点离心率分布在有效区间内,在该区间上服从指数分布,且与接触点面积分布相互独立,根据概率论以及接触点的面积大小分布函数,获得了关于结合面接触点面积与离心率的二维联合分布密度函数,进而建立了包含椭球形微凸体完全弹性、弹塑性以及完全塑性三种变形机制的结合面法向接触刚度分形模型。所建模型理论刚度与实验数据的对比结果,表明了模型的正确性及有效性,能较好的预测固定结合面在轻载状态下的法向接触刚度。     

考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型及其仿真分析

为建立更完善和精确的结合面接触刚度模型,本文根据分形理论和摩擦学原理,从微观角度建立了考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型.通过数值仿真分析研究了接触载荷、分形维数、摩擦系数和接触面积等因素对结合面切向接触刚度的影响.分析结果表明:结合面切向接触刚度随法向载荷和分形维数的增加而增大,而随分形尺度参数的增大而减小;摩擦系数对结合面切向接触刚度的影响较大,不同实际接触面积下的切向刚度相差较大;当分形维数较小时,摩擦系数对结合面切向刚度的影响将降低.这些研究对于进一步开展结合面的动力学特性研究具有重要意义.     

固-液结合面法向动态接触刚度及阻尼的理论模型与实验分析

固-液接触状态广泛存在于机床核心单元关键零部件的接触运动副中,精确获得固-液结合面法向接触刚度及阻尼参数是高档数控机床产品在研发阶段就存在的一个关键理论与技术问题,并且仍然尚未根本解决。固-液结合面在介观层面上表现为两个粗糙表面的接触,在微观层面上表现为微凸体之间的接触,并在中/重载荷作用下微凸体可能会发生弹性/弹塑性/塑性变形。为了揭示静动态外载荷对固-液结合面接触刚度及阻尼的影响,分别基于GW模型、KKE模型和AF模型对接触微凸体弹性/弹塑性/塑性变形展开研究,并结合流体动力润滑REYNOLDS方程,建立了考虑接触微凸体弹性/弹塑性/塑性变形的固-液结合面接触刚度及阻尼模型。并对其进行实验验证,结果表明：随着预载荷的增大固-液结合面法向动态接触刚度表现出先减小后增大的规律,当接触载荷小于某阈值时动态接触刚度较大,反之静态接触刚度较大;法向动态接触刚度随着法向相对位移幅值的增大而增大,在低载荷时呈线性规律,而高载荷呈非线性规律;法向动态接触刚度随激振频率增大呈线性增大,且载荷越大线性斜率越小。对于法向接触阻尼,随着法向相对位移幅值和接触载荷增大呈非线性增大,随着激振频率增大几乎不变。精确获得固-液结合面法向接触刚度和阻尼及其关键因素的影响规律,对机械系统的分析、设计、优化以及静、动态性能控制都具有重要的理论意义。     

考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型

基于三维分形理论，建立了考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型，并且考虑了微凸体的弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形. 通过该模型，分析了摩擦系数、分形维数、分形粗糙度和接触载荷对热接触热导的影响. 研究结果表明:接触热导随着摩擦系数和分形粗糙度的增大而减小，随着分形维数和接触载荷的增大而增大. 该研究为开展接合面的热传递提供了一定的理论基础.      

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.      

固定接触界面法向静弹性刚度

基于Hertz接触理论推导了两个微凸体之间互相作用的法向接触静弹性刚度.根据修正后的一个微接触点的平截面积尺寸分布,给出了界面的总法向接触静弹性条件刚度、总条件载荷的解析解.将法向静弹性刚度的解析解嵌入到有限元软件中,获得整机的理论模态.通过实验对解析解进行了定量验证.以机床结合部为研究对象,在理论振型与实验振型一致的...     

基于泛形理论的粗糙表面法向接触刚度研究

基于泛形理论和赫兹接触理论,通过泛形海岛分布描述粗糙表面的形貌从而建立结合面弹性接触模型,求解结合面的法向接触刚度。假设粗糙接触表面微凸体的高度满足高斯分布,通过赫兹接触理论建立单个微凸体的微观接触模型,利用粗糙表面的泛形复杂度D与面积度量尺码的最小下确界as确定表面形貌。泛形复杂度反映微凸体在粗糙表面上占据的空间大小程度;度量尺码下确界是接触过程中的最小接触面积。通过泛形复杂度和面积最小下确界推导出粗糙表面法向接触刚度的解析表达式。数值算例结果表明：在相同的面积尺度区间内,粗糙表面的法向接触刚度随着泛形复杂度的增加而增加,反之减小。当接触表面的泛形复杂度不变时,粗糙表面的法向接触刚度随最小下确界的减小而增大。泛形复杂度的较大时,最小下确界的变化对于接触刚度的影响更加明显。通过与已发表的文献结果对比分析之后,发现采用泛形海岛模型所得到的结合面接触刚度与文献中实验结果吻合较好。     

介观双粗糙弹塑性流体动力润滑界面法向接触刚度模型

弹性流体动力润滑状态通常出现在机械高副零部件的点/线接触部位,如齿轮、轴承和蜗轮蜗杆等. 宏观上点/线接触在介观层面表现为两粗糙表面的接触,在微观层面上则又表现为微凸体间的接触. 由于在中/重载荷作用下,粗糙表面上的微凸体发生接触后会产生弹塑性/塑性变形,从而使得两粗糙表面的弹流润滑接触转变为弹塑性流体动力润滑接触. 此外,界面的接触刚度决定了机械装备的整机刚度. 为了精确获得弹性流体动力润滑状态下界面法向接触刚度及其主要影响因素,基于界面的法向接触刚度由固体接触刚度和润滑油膜刚度两部分构成的思想,根据固体弹塑性理论和流体动力学理论,分别对界面间微凸体侧接触及部分膜流体动力润滑进行分析,从微观入手揭示双粗糙表面弹塑性流体动力润滑接触机理,进而建立考虑微凸体侧接触弹塑性变形的流体动力润滑界面法向接触刚度模型. 通过仿真分析,揭示了法向载荷、卷吸速度、表面粗糙度及润滑介质特性等因素对润滑界面法向接触刚度的影响规律. 研究表明:在相同速度、粗糙度及润滑油黏度的工况下,固体接触刚度和油膜接触刚度均随着法向接触载荷的增加呈非线性增大;在相同载荷、速度及润滑油黏度的工况下,接触表面粗糙度越大,表面形貌对于润滑状态的影响较强,固体接触刚度占界面总刚度的主要部分,界面主要由固体承载;在相同载荷、粗糙度及润滑油黏度工况下,随着卷吸速度的增大,固体接触刚度逐渐减小,油膜刚度占界面总刚度的主要部分;在相同载荷、粗糙度及速度工况下,随着润滑油黏度的增大,油膜刚度基本保持不变,固体接触刚度基本不受润滑油黏度的影响. 通过理论建模准确获得单位面积弹塑性流体动力润滑结合面法向接触刚度,对改善机械装备动态性能、提高机械装备的可靠性具有重要的理论和实际意义.      

基于微凸体接触压力分布的粗糙表面法向接触建模

提出一种考虑微凸体弹塑性接触变形影响的粗糙表面法向接触力学模型。采用有限元模拟微凸体弹塑性接触过程,分析不同塑性屈服条件对微凸体接触载荷和实际接触面积的影响。再根据微凸体接触面上压力分布的变化规律,将微凸体的接触状态分为完全弹性接触阶段、弹塑性接触阶段、完全塑性接触阶段。分析接触面压力变化规律对微凸体法向接触载荷-变形的影响,再利用GW模型的数理统计分析的方法得到粗糙表面的法向接触载荷。将本文提出的模型与完全弹性模型、CEB模型、ZMC模型、KE模型、JG模型进行对比,并且研究了塑性指数对粗糙面接触载荷-平均高度距离的影响。结果表明,本文提出的模型能够更好地描述微凸体法向接触载荷与接触变形的变化趋势,模型预测粗糙表面法向载荷与ZMC、KE模型具有较好的一致性;粗糙面接触载荷随着平均接触距离增加而减少,随着塑性指数的增加,不同模型预测的法向接触载荷差异逐渐增大。     

两圆柱体结合面的接触热导分形模型研究

基于三维分形理论，在考虑微凸体的弹性变形、弹塑性变形和塑性变形的基础上，建立了两圆柱体结合面接触热导分形模型。通过数值仿真，分析了分形维数，分形尺度参数、圆柱体曲率半径和接触类型对接触热导的影响。研究结果表明：接触热导随着分形维数的增大而增大，随着分形尺度参数的增大而减小；相同参数下，内接触比外接触的接触热导要大；此外，当固定其中一个圆柱体的曲率半径时，随着另一个圆柱体曲率半径的增大，接触热导增大。该模型为开展齿轮等曲面接触热导的研究提供了理论基础。     

粗糙表面法向接触刚度的分形模型

提出了以往有关粗糙表面法向接触刚度理论研究工作的缺陷与不足,并在一定的前提假设下,基于球体与平面的接触理论和粗糙表面的分形接触理论,从理论上给出了具有尺度独立性的粗糙表面法向接触刚度分形模型,并进行了数字仿真研究。     

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值, 通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合, 证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明: 建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升, 到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性, 随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关, 对于确定的接触表面,法向力越大, 初始切向刚度越大; 初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.      

A novel nonlinear contact stiffness model of concrete–steel joint based on the fractal contact theory

The heavy-duty machine tool is usually assumed in the concrete foundation, in which the machine tool-foundation joints have a critical effect on the working accuracy and life of heavy-duty machine tool. This paper proposed a novel contact stiffness model of concrete–steel joint based on the fractal theory. The topography of contact surface exist in concrete–steel joint has a fractal feature and can be described by fractal parameters. Asperities are considered as elastic, plastic deformation in micro-scale. However, the asperities of concrete surface will be crushed when the stress is larger than their yield limit. Then, the force balance of contact surfaces will be broken. Here, an iteration model is proposed to describe the contact state of concrete–steel joint. Because the contact asperities cover a very small proportion (less than 1%), the load on crushed asperities is assumed carried by other no contact asperities. This process will be repeated again and again until the crushed asperities are not being produced under external load. After that, the real contact area, contact stiffness of the concrete–steel joint can be calculated by integrating the asperities of contact surfaces. Nonlinear relationships between contact stiffness and load, fractal roughness parameter G, fractal dimension D can be revealed based on the presented model. An experimental setup with concrete–steel test-specimens is designed to validate the proposed model. Results indicate that the theoretical vibration mode shapes agree well with the experimental variation mode shapes. The errors between theoretical and experimental natural frequencies are less than 4.18%. The presented model can be used to predict the contact stiffness of concrete–steel joint, which will provide a theoretical basis for optimizing the connection characteristic of machine tool-concrete foundation.     

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 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.     

磨削粗糙表面法向接触刚度研究

为更加准确地描述机械磨削表面的接触刚度,本文在现有统计分析理论的基础上,提出了一种新的粗糙表面接触模型。模型针对接触表面微凸体形貌,将原有的球体假设采用cos函数曲线回转体代替,在假设形貌的基础上重新解算了微凸体弹塑性变形的临界压入深度,推导出了接触区域真实接触压力与接触刚度关系表达式。通过数值仿真方法得到了不同塑性指数下平均距离、接触刚度与接触压力之间的变化关系。对比结果显示,随着塑性指数的增大,本文模型的平均距离与球形模型的平均距离之间的差值逐渐增大。在接触刚度方面,本文模型相比球形模型更加贴近实验结果,并且随着塑性指数的增加,球形模型与本文模型之间的差值越来越大。本文模型结果与实验数据的相对偏差能够控制在5%以内,从而验证了本文模型的正确性,为更加准确地描述磨削表面零件的接触行为提供理论基础。