磨损表面形貌的三维分形维数计算

基于分形理论和磨损表面扫描电子显微分析，采用盒子维方法计算了磨损表面的三维分形维数．结果表明，在计算尺度范围内，采用与尺度无关的分形维数表征磨损表面形貌特征是可行的；实际磨损表面的三维分形维数同其表面粗糙度密切相关，表面粗糙度越大，分形维数越大；同表面粗糙度相比，分形维数计算值较稳定.     

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.      

基于分维理论的爆炸焊接界面形貌的定量表征

以爆炸焊接界面形貌为研究对象,利用分形理论研究其界面特征。运用三维超景深显微镜获得界面形貌图像,利用Matlab图像分析技术对界面形貌进行二值化处理,基于分形理论计算图像分维值以及多重分维谱。由分维值及多重分形谱的物理意义可知,轮廓分维值是对界面不规则程度宏观度量,而多重分形谱能定量表征界面的起伏程度及高度分布。因而,通过对界面结构进行分形几何分析,可实现界面形貌定量表征,弥补当前定性分析的不足。     

扫描电镜下断口表面的三维重建及分形维数的测量

基于数字散斑相关方法,利用扫描电镜立体对技术和计算机视觉方法实现了物体表面的三维重建,讨论了影响其精度的原因,并且利用分形理论对表面的三维形貌进行了定量分析,由立方体覆盖法得到了三维形貌的分形维数.作为应用的实例,将该方法应用到岩石断口的三维重建中,得到了重建后的高度云图和分形维数.结果表明,利用扫描电镜立体对技术对断口表面进行三维重构并进行分形维数的计算是一种行之有效的断口定量分析方法.这为研究材料断裂的微观机理、断裂过程和断裂性质等问题提供了一种途径.     

砂轮约束磨粒喷射加工表面的分形及摩擦特性研究

对砂轮约束磨粒喷射精密光整加工(Abrasive Jet Precision Finishing,AJF)表面进行分形维数和摩擦磨损特性研究.试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工式样为Ra为0.6μm左右的45#钢.加工表面形貌和微观几何参数用MICROMESVRE2表面轮廓仪测量;应用分形维数和功率谱密度函数评价磨削加工和光整加工表面的微观形貌特征;利用MG-2000型销盘式高速高温摩擦磨损试验机研究表面形貌和分形维数对摩擦系数和磨损性能的影响.试验结果表明:磨粒喷射精密光整加工使工件表面高度特性参数大幅度降低,轮廓波动平均间距减小,波纹细密性提高.随着加工循环的增加,Ra值由0.6μm下降到0.2μm左右.光整加工表面摩擦系数和磨损量与磨削加工表面相比明显降低,摩擦磨损试验结果和分形维数变化相吻合.     

基于分形理论的双渐开线齿轮接触应力研究

综合考虑接触面粗糙度、材料特性等因素对齿轮接触应力的影响，基于分形理论和经典Hertz接触理论建立双渐开线齿轮分形接触模型. 该模型中，影响载荷和实际接触面积的主要因素包括分形维数、粗糙度幅值和材料特性参数. 理论分析表明:分形维数一定时，真实接触面积随着载荷的增大而增大；载荷一定时，接触面积随着粗糙度幅值的增大而减小；随着材料特性参数值的增加，在一定程度上加强了软材料轮齿承载能力，同时会使得微凸体由弹性变形到塑性变形的临界面积减小. 对比分形接触模型和有限元模型两种计算双渐开线齿轮轮齿接触应力方法，结果证明了分形接触模型计算双渐开线齿轮接触应力的有效性.      

分形理论在摩擦学研究中的应用

采用尺度独立的分形参数可使粗糙表面和磨屑形貌的表征简单明了，并使表征具有唯一性，易于识别；基于分形参数所建立的摩擦学研究模型的预测结果可望不受测量仪器分辨率和取样长度的影响，因而比传统的基于统计分析的模型更为合理和有效。综述了分形几何在粗糙表面的表征，接触，磨损预测和摩擦温度分布以及磨屑定量分析等方面的应用现状和发展，指出了用分形理论研究摩擦学问题时应注意的着重点。     

表面轮廓分形维数计算方法的研究

阐述了表面轮廓分形和分形曲线的基本概念，对目前常用于表面轮廓分形维数的４种计算方法的基本思路作了评介，指出这些方法的计算结果都存在一定的偏差，对选择不同计算尺度得到的分形维数表现出较大的不稳定性，致使分形维数难以准确地反映表面轮廓的真实复杂特征．根据表面轮廓的均方差与区间尺度成比例的性质，提出了表面轮廓分形维数计算的协方差加权法．通过与Ｗｅｉｅｒｓｔｒａｓｓ－Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ分形函数曲线的分形维数计算的比较，协方差加权法所得表面轮廓分形维数的稳定性良好，计算结果的准确性也明显提高，可以简化表面形貌的识别过程，为摩擦学研究中更准确地描述粗糙表面的复杂特征提供了一种简便适用的新方法．     

冻融循环作用下沥青混凝土分形断裂特性研究

沥青混凝土作为一种主要的路面材料，暴露于外部寒冷环境下冻融损伤是不可避免的。通过对经历不同冻融循环次数的沥青混凝土试件进行CT扫描，采用数字图像处理技术对CT灰度图像进行处理分析，可获得其内部冻融损伤情况。基于分形理论量化表征了冻融循环作用下内部裂纹扩展的几何特征。沥青混凝土经过冻融循环后的断裂韧性被认为是决定其力学性能损伤程度的关键指标，建立了考虑分形特征的临界裂纹应力、应力强度因子和断裂韧性方程。研究发现：平均分形维数反映了冻融循环过程中的波动特征；断裂韧性由裂纹几何参数决定；弹性模量、临界开裂应力及断裂韧性等力学参数随冻融循环次数的增加而逐渐减弱。     

微凹坑织构表面对脂润滑关节轴承摩擦特性的影响

为研究脂润滑下表面织构对关节轴承摩擦特性的影响,设计和制造了4组表面高度算术平均值相同、表面微凹坑面积占有率分别为7%、10%、15%和21%的关节轴承内圈表面形貌.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维轮廓仪对试件表面进行测量,采用ISO25178定义的表面参数对试件表面形貌进行表征.在改造的HDM-20端面摩擦磨损试验机上,采用2#锂基脂润滑在不同载荷、转速条件下进行了一系列摩擦磨损试验,研究了表面形貌参数与摩擦系数的关系.在本试验中,选取表面高度算术平均值Sa和表面峰态Sku等表面高度参数、表面峰区平均材料体积Vmp、表面中心区平均空体体积Vvc和表面谷区平均空体体积Vvv等表面功能参数以及平均谷体积Sdv等表面特征参数对关节轴承表面形貌进行表征.结果表明:各表面参数对摩擦系数的影响不同,将表面高度参数、功能参数和特征参数这几种表面形貌参数结合对关节轴承表面形貌进行表征,更有利于脂润滑下关节轴承表面形貌的摩擦学设计.     

磨合表面形貌特征参数的提取及分析

在销-盘式摩擦磨损试验机上对船用柴油机活塞环-缸套材摩擦副进行磨合磨损试验,采用光学显微镜对不同磨损阶段的磨损表面形貌进行观察分析,应用小波分析和奇异值分解提取磨损表面统计特征的低频特征参数和高频特征参数.结果表明:低频特征参数和高频特征参数刻画了磨合表面的形貌特征,可以作为磨合表面的特征参数;低频特征参数反映了磨合表面的接触面积,其值愈大,接触面积愈大;高频特征参数反映了磨合表面的粗糙度,其值愈大,粗糙度愈小.     

大视场双目投影条纹方法中的相机参数标定与优化研究

投影条纹法具有高精度、高分辨的特点,且实验设备简单,对实验环境要求低,适宜于不同尺度的三维形貌测量。双目投影条纹法通常采用有标准参照物的相机标定方法获取相机参数,以实现物体表面三维形貌重建。然而,在大型结构的三维形貌测量中参照物的相对尺度较小,传统的基于重投影的相机标定方法在特征检测中引入的误差会被放大,从而影响三维表面形貌测量的稳定性和准确性。本文结合双目投影条纹成像原理,提出了一种适用于大面积形貌测量的投影条纹系统标定方法。该方法利用投影条纹控制点以及对极几何约束对张氏标定法结果进行优化,从而可以在大视场标定中保持较高的精度。实验表明,在标定板与测量物大小相当时,本文提出的标定方法与传统标定方法的测量结果基本一致;当标定板远小于待测物时,本文方法的测量精度和稳定性明显优于传统方法。     

岩体结构面粗糙度系数定量表征研究进展

1978年,Barton提出的节理粗糙度系数(joint roughness coefficient,JRC)被国际岩石力学学会作为评估节理粗糙度的标准方法.然而该方法存在人为估值的主观性缺陷.就此,国内外学者围绕岩体结构面粗糙度定量化表征开展了大量的研究工作.首先,从二维节理轮廓线到三维岩体结构面,系统地阐述了其粗糙度定量化表征方法研究进展,并总结了各方法参数与JRC的关系;评价了各表征参数的本质特性及其适用性;指出了各方法参数获取过程中存在的问题,主要有:采样间隔的影响,三角形单元划分的影响,如何确定综合参数法中各参数的权重;针对这些问题,给出了笔者的一些想法、建议.与此同时,对结构面粗糙度表征的两个热点问题,即各向异性和尺寸效应的研究也进行了详细总结分析.最后,笔者认为:(1)分形维数因是描述自然界复杂几何体的一种简洁有力的工具,其仍是结构面粗糙度定量描述的有效方法;(2)3D打印技术的应用,有望在开展结构面各向异性、尺寸效应研究方面取得突破性进展.     

Complex microtopography analysis in sliding friction of steel-ferodo material pair

The tribological behaviour—friction, wear and lubrication—of machine elements highly depends on the operating state and also on the original topography of the working pair. Wear tests and 3D surface roughness measurements were carried out to analyse the effect of surface topography in friction and wear between ground steel specimens of various machining directions and different surface quality levels and a ferodo sliding pair. Three different techniques were used for surface topography evaluation: a parameter-based technique, a slicing method, and power spectral density analysis. Several parameters were found to be sensitive to surface wear phenomena; their changes indicate, among other things, surface platoing or the appearance of dominant scratches. The peak angle and height of asperities convey important information on numerous tribological changes. Power spectral density (PSD) analysis shows that the result of changes in the topography is an ‘equilibrium’ surface.     

Onset of Surface Damage in Modular Orthopedic Implants: Influence of Normal Contact Loading and Stress-assisted Dissolution

Surface damage at interfaces of modular implants results from repeated fretting contacts between metallic surfaces in a corrosive environment. As a first step in understanding this complex process, multi-asperity contact experiments were conducted to characterize roughness evolution due to action of contact loads and exposure to a reactive environment. Cobalt–chromium specimens with surface roughness similar to modular implant were first subjected to only contact loading and subsequently, to alternating contact loads and exposure to reactive environment. During repeated normal contact loading, amplitude of surface roughness reached a steady value after decreasing during the first few cycles. However during the second phase surface roughness amplitude continuously evolved—decreasing during contact loading and increasing on exposure to corrosive environment. The increase in roughness amplitude during surface reaction depended on the magnitude of applied contact loads. A damage mechanism that incorporates contact-induced residual stress development and stress-assisted dissolution is proposed to elucidate the measured surface roughness evolution.     

三维形状检测中的参数标定研究

应用投影栅线法在现场检测三维物体的形状时，参数标定是影响测量精度最重要的一个因素。本文研究了三维形状检测过程中的参数标定问题，并应用傅里叶位相解调技术处理实验数据。提出了坐标系统及几何参数的标定技术，推导出考虑栅线节距变化的计算公式。给出了部分实验结果，并讨论了测试精度。     

Scaling the effects of surface topography in the secondary atomization resulting from droplet/wall interactions

The impact of droplets onto micro-structured surfaces has been the focus of numerous recent studies, under the perspective of many different applications. However, much is still to be known about the effects of surface patterning in order to devise realistic physical models to accurately predict interfacial transfer rates. In this context, the present paper addresses the question of how to scale the effects of the surface topography to find adequate parameters, which can be easily obtained a priori. The approach is based on the characterization of the hydrodynamic and thermal behaviors of individual droplets impacting onto smooth and micro-structured heated surfaces, with the objective of quantifying the effects of the modified wettability associated with the topography of the surface. The focus is put on the thermal-induced mechanisms of secondary atomization as these are of particular interest for spray-cooling applications. The analysis suggests that different wetting properties lead to particular characteristics of the thermal-induced atomization, which can be related with the ratio between the roughness amplitude and the fundamental wavelength of the surface topography R _a/λ_R. This hypothesis is consistent with the theoretical prediction of the wetting behavior of the surfaces. The results also show a good correlation between the mean sizes of the secondary droplets generated by thermal-induced atomization and the ratio R _a/λ_R.     

磨粒的三维表面特征描述

介绍了三维表面粗糙度参数和表面纹理指数,采用三维表面高度偏差Sa、均方根Sq、表面斜度Ssk、表面峭度Sku等粗糙度参数和表面纹理指数Stdi描述磨粒的三维表面特征,选用油液分析获得磨粒,对其表面特征进行实例分析.结果表明,运用上述参数能够很好区分不同类型的磨粒表面特征.