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。     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究.首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在3个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响.研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关.为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了所提出的切向阻尼模型的有效性.     

粗糙表面接触研究进展

工程中的任何接触表面都不会是绝对光滑的,对于某些特殊接触问题必须考虑表面形貌的接触效应.粗糙表面接触研究是一门年轻的交叉学科.它主要研究粗糙表面接触力学,接触导电和导热,接触密封,接触振动和噪声,接触刚度,骨关节接触等问题,涉及固体力学,流体力学,随机过程及概率统计,计量学,电学和传热学,振动理论以及生物学等学科知识.本文综述了粗糙表面接触的研究进展.      

粗糙颗粒的随机离散元模拟——随机法向接触定律

真实颗粒的力学性质会受到其随机粗糙表面的影响,然而在传统离散元模拟中通常假设颗粒具有光滑表面,因此有必要在定量考虑颗粒表面粗糙度的基础上改进离散元的接触模型。本文基于经典 Greenwood-Williamson(GW)模型通过理论分析和数值模拟提出了一种可以考虑颗粒表面粗糙度的法向接触定律;开发了基于 Newton-Raphson迭代的数值计算方法,通过输入颗粒重叠量和一系列表面粗糙系数计算总接触力;讨论了改进计算方法效率和准确性的相关问题。相对于 GW模型中接触关系的复杂积分表示,拟合得到新随机接触定律的表达式具有类似 Hertz定律的简单结构,只包含一个表征颗粒表面粗糙度标准偏差的新增参数,σ,可以方便的引入当前离散元模拟程序中进行计算。     

粗糙颗粒的随机离散元模拟——随机法向接触定律（英文）

真实颗粒的力学性质会受到其随机粗糙表面的影响,然而在传统离散元模拟中通常假设颗粒具有光滑表面,因此有必要在定量考虑颗粒表面粗糙度的基础上改进离散元的接触模型。本文基于经典GreenwoodWilliamson(GW)模型通过理论分析和数值模拟提出了一种可以考虑颗粒表面粗糙度的法向接触定律;开发了基于Newton-Raphson迭代的数值计算方法,通过输入颗粒重叠量和一系列表面粗糙系数计算总接触力;讨论了改进计算方法效率和准确性的相关问题。相对于GW模型中接触关系的复杂积分表示,拟合得到新随机接触定律的表达式具有类似Hertz定律的简单结构,只包含一个表征颗粒表面粗糙度标准偏差的新增参数,σ,可以方便的引入当前离散元模拟程序中进行计算。     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究。首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在三个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关。为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。      

珩磨缸套与活塞环表面弹塑性接触分析

缸套-活塞环表面接触分析，能够对船用发动机设计决策提供重要支持.由于缸套珩磨网纹表面具有双高斯分布特征，基于高斯分布假设建立的统计接触力学模型无法反映缸套-活塞环表面的真实接触状态.本文中基于边界元理论，采用快速傅里叶变换和共轭梯度法，开发了粗糙接触弹塑性接触数值仿真分析方法，并对缸套珩磨网纹表面与活塞环接触状态进行了仿真计算，获得了表面真实接触压力、接触面积、弹塑性变形和应力等接触特性参数，研究了不同载荷作用下珩磨网纹表面接触演变规律，为活塞环缸套摩擦学设计奠定了基础.     

粗糙薄层弹性体接触刚度分析

薄层弹性体功能结构表面在工程领域有着广泛的应用前景,薄层弹性体的接触特性分析对功能结构表面设计与应用非常重要.采用随机粗糙表面模拟生成技术和有限元分析技术建立了粗糙薄层弹性体表面的接触刚度确定性分析模型,研究了薄层弹性体的接触特性,对基于半数值确定性分析方法的粗糙层-基体层串联模型用于粗糙薄层弹性体接触刚度计算的适用性进行了讨论,进一步分析了粗糙薄层弹性体串联模型接触刚度的误差来源.研究结果表明:当薄层弹性体的基体层厚度小于10倍表面均方根粗糙度时,由传统粗糙层-基体层串联模型分析获得的粗糙薄层弹性体刚度误差将超过15%,误差主要来源于粗糙峰的大变形和基体层的局部变形不均匀的共同作用.     

纳观分形粗糙表面的建模分析

采用删除原子法对纳观粗糙表面的建模进行了研究.研究表明:利用含有原子、晶格等信息的标准data文件,根据边界特性删除原子,结合分形理论,可建立出具有分形粗糙特征的纳观模型.由W-M分形函数决定的粗糙表面,以最小的晶面距离作为扫描间距时,易出现含有孤立原子列的不合理结构,为了后续粗糙面纳观摩擦接触模拟分析,可通过傅里叶变换及滤波处理消除孤立的原子列,但滤波处理会导致某些分形特征的消失,通过适当增大滤波器的通带半径,再利用能量最小化的方法优化初始结构,可保留粗糙面原有的分形特征.试验表明,该方法能有效建立与实际表面相符的纳观分形粗糙面数字化表征模型.     

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.     

Unloading an elastic-plastic contact of rough surfaces

A statistical model for the unloading of elastic-plastic contact of rough surfaces is presented for a single load-unload cycle. The hystereses of load-separation and load real contact area behavior are analyzed for a wide range of surface roughness and loading conditions. The residual topography of the unloaded rough surfaces is also analyzed and the new distribution functions of asperity heights and summit radii of curvature along with a corresponding GW residual plasticity index are presented. A new modified plasticity index (MPI) is suggested which considers the energy dissipation due to unrecovered plastic deformations. This MPI varies from zero for purely elastic contacts to unity for purely plastic contacts and hence, can better define the level of plasticity of contacting rough surfaces compared to the original GW plasticity index.     

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。     

Adhesive contact of an elastic semi-infinite solid with a rigid rough surface: Strength of adhesion and contact instabilities

The effect of adhesion on the contact behavior of elastic rough surfaces is examined within the framework of the multi-asperity contact model of Greenwood and Williamson (1966), known as the GW model. Adhesive surface interaction is modeled by nonlinear springs with a force–displacement relation governed by the Lennard–Jones (LJ) potential. Constitutive models are presented for contact systems characterized by low and high Tabor parameters, exhibiting continuous (stable) and discontinuous (unstable) surface approach, respectively. Constitutive contact relations are obtained by integrating the force–distance relation derived from the LJ potential with a finite element analysis of single-asperity adhesive contact. These constitutive relations are then incorporated into the GW model, and the interfacial force and contact area of rough surfaces are numerically determined. The development of attractive and repulsive forces at the contact interface and the occurrence of instantaneous surface contact (jump-in instability) yield a three-stage evolution of the contact area. It is shown that the adhesion parameter introduced by Fuller and Tabor (1975) governs the strength of adhesion of contact systems with a high Tabor parameter, whereas the strength of adhesion of contact systems with a low Tabor parameter is characterized by a new adhesion parameter, defined as the ratio of the surface roughness to the equilibrium interatomic distance. Applicable ranges of aforementioned adhesion parameters are interpreted in terms of the effective surface separation, obtained as the sum of the effective distance range of the adhesion force and the elastic deformation induced by adhesion. Adhesive strength of rough surfaces in the entire range of the Tabor parameter is discussed in terms of a generalized adhesion parameter, defined as the ratio of the surface roughness to the effective surface separation.     

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     

考虑粗糙结合面弹塑性接触的黏滑摩擦建模

提出一种同时考虑粗糙面上微凸体弹性变形和塑性接触的切向黏滑摩擦建模方法。采用Hertz弹性理论和Mindlin解描述弹性接触微凸体的切向载荷和相对变形的关系;采用AF(Abbott-Firstone)塑性理论和Fujimoto模型描述塑性接触微凸体切向载荷和相对变形的关系。再利用GW(Greenwood-Williamson)模型统计分析方法建立粗糙表面切向载荷和相对变形之间的关系。将模型与仅考虑微凸体弹性接触情况的模型进行对比,并研究了不同塑性指数对切向载荷和相对变形关系的影响。结果表明：与完全弹性接触模型相比,本文模型引入了塑性接触理论,能够更好地描述粗糙表面切向载荷和相对变形关系,并且考虑不同接触条件下弹性变形微凸体和塑性变形微凸体对切向接触载荷的贡献,在微滑移阶段,主要由弹性接触变形影响,而在进入宏观滑移阶段之后,切向行为主要由塑性变形影响。界面切向载荷由黏着和滑移接触作用共同决定,随着切向变形的增加,滑移接触力逐渐增加,而黏着接触力先增加后减少,反映了界面由微滑移逐渐向宏滑移演化的过程。随着塑性指数的增加,粗糙面上发生塑性接触的微凸体数目逐渐增加,切向黏滑行为主要受到塑性接触特征的控制。     

连接结构接触界面非线性力学建模研究

连接界面上存在的跨尺度、多物理场和非线性行为是引起结构复杂非线性动力学的主要原因。由于连接界面力学行为的复杂性,以及对连接界面进行直接试验观测的困难,连接界面的力学建模一直是非常具有挑战性的科学问题。本文首先从分析结合面的跨尺度物理机理入手,将名义的光滑平面视作凹凸不平的粗糙面,考虑单个微凸体的黏滑摩擦行为,建立接触载荷与变形的非线性关系,然后采用GW(Greenwood和Williamson, GW)模型数理统计方法建立整个粗糙界面的跨尺度力学模型,并与公开文献中试验结果进行对比。然后考虑连接界面典型非线性特征,提出一种改进的Iwan唯象模型,利用精细有限元方法获得非线性特征结果,采用系统辨识理论建立连接结构的降阶力学模型,并利用有限元结果进行模型验证。结果表明,本文提出的粗糙界面跨尺度模型在法向载荷较小时与试验结果吻合较好,改进的Iwan模型能够较好描述连接界面非线性特征,并与有限元结果吻合较好。      

Collective behavior of viscoelastic asperities as a model for static and kinetic friction

We propose a statistical model for static and sliding friction between rough surfaces. Approximating the contact between rough surfaces by the contact of an ensemble of one-dimensional viscoelastic elements with a rough rigid surface, we study the collective behavior of the elements. We find that collective response of the contacts can lead to macroscopic behavior very different from the microscopic behavior. Specifically, various observed features of friction emerge as collective phenomena, without postulating them directly at the microscale. We discuss how parameters in our model can be related to material and surface properties of the contacting surfaces. We compare our results to commonly used rate and state phenomenological models, and propose a new interpretation of the state variable.     

Elasto-plastic contact of rough surfaces: a mixed-lubrication model for the textured surface analysis

An improved asperity contact model for two rough surfaces with misalignment is presented in this study. The contact model is statistical and can account for the elasto-plastic behavior of interacting asperities. By combining the improved asperity contact model and the average flow Reynolds equation together, a mixed-lubrication model is developed to understand the effect of surface texturing. By comparing with the results of the purely elastic asperity contact model, it is found that the improved asperity contact model can predict the contact force and actual contact area more accurately, particularly under high load conditions. Moreover, comparing with the elasto-plastic model with an equivalent rough surface against a plane, the improved contact model can consider the effect of permitting misalignment of two rough surfaces. This is beneficial for analyzing the performance of the textured piston ring/liner system, especially when asperities contact and wear happen.