A slip-line plasticity analysis of abrasive wear of a smooth and soft surface sliding against a rough (fractal) and hard surface

Abrasive wear of a soft and smooth surface sliding against a rough (fractal) and hard surface was analyzed by the slip-line theory of plasticity. The analysis is based on a slip-line model of a rigid spherical asperity (wear particle) plowing through a soft surface and removing material by microcutting. Integration of this single-contact model into a three-dimensional contact mechanics analysis of an abrasive surface exhibiting multi-scale roughness described by fractal geometry yielded relationships of the abrasive wear rate and wear coefficient in terms of the interfacial shear strength (adhesion), topography (fractal) parameters of the hard/rough surface, elastic–plastic material properties of the soft/smooth surface, and total normal load. Analytical results from the single-contact analysis provide insight into the deformation of a perfectly plastic material caused by the abrasive action of a rigid asperity/wear particle under different normal load and interfacial friction (adhesion) conditions. The dependence of the abrasive wear rate and wear coefficient on normal load (global interference), roughness of the abrasive surface, elastic–plastic material properties of the abraded surface, and interfacial shear strength (lubrication effect) is interpreted in the context of numerical results obtained for representative ceramic/ceramic, ceramic/metallic, and metal/metal sliding systems.     

A slip-line plasticity analysis of sliding friction of rough surfaces exhibiting self-affine (fractal) behavior

A plasticity analysis of sliding friction of rough (fractal) surfaces sliding against smooth surfaces was developed based on a slip-line model of a rigid spherical asperity (wear particle) plowing and cutting through a soft semi-infinite medium. Solutions of the fraction of fully plastic asperity microcontacts responsible for the evolution of friction and energy dissipation were obtained in terms of the total normal load (global interference), interfacial adhesion characteristics, topography (fractal) parameters of the hard surface, and elastic–plastic material properties of the soft surface. This was accomplished by incorporating the slip-line model of a single microcontact into a friction analysis of sliding surfaces demonstrating multi-scale roughness. Numerical results provide insight into the effects of global interference (normal load), fractal parameters (surface roughness) of the hard surface, interfacial shear strength (adhesion), and material properties of the soft surface on plastic deformation at the microcontact level, global coefficient of friction, and frictional energy dissipated during sliding.     

单峰接触研究及其在分形表面接触中的应用

基于有限元方法,建立了弹塑性单峰的接触模型.粗糙峰为理想的弹塑性材料,为了考虑不同的材料特性对微凸体变形的影响,分别对9种不同的材料进行了分析.根据有限元计算结果,分析了接触面积,平均接触压力和接触力与变形干涉量之间的关系,并进行了经验公式的拟合.单峰接触所经历的4个不同的阶段,以及不同阶段之间的转化点均作了明确的表达.然后,根据分形理论,将单峰接触模型扩展到了三维的粗糙表面的接触,并提出了一个计算接触表面法向刚度的模型.通过与实验数据和以往模型的结果对比,证明本文中所提出的模型具有较高的精度.     

Finite element analysis of large contact deformation of an elastic–plastic sinusoidal asperity and a rigid flat

Normal contact deformation of an asperity and a rigid flat is studied within an axisymmetric finite element model. The asperity features a sinusoidal profile and is elastic–plastic with linear strain hardening. Influences of geometrical (asperity height and width) and loading (the maximum interference) parameters on frictionless contact responses are explored for both loading and unloading. Dimensionless expressions for contact size and pressures covering a large range of interference and asperity ratio values are obtained in power-law forms. Results show the mean contact pressure after fully-plastic contact reaches a plateau only for small asperity ratios, while it continues increasing for large asperity ratios. The residual depth is found to be associated with plastically dissipated energy.     

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.      

工程粗糙表面粘着磨损的分形学研究

建立了分形接触模型,并在Ａｒｃｈａｒｄ粘着磨损理论基础上,结合磨损过程中剪切应力对实际接触表面的影响,建立了弹、塑性接触条件下的粘着磨损分形模型,通过试验得出了磨损体积损失与分形参数的关系,为降低磨损与加工成本及确定表面最佳分形维数提供了实验依据．     

Stress analysis of a layered elastic solid in contact with a rough surface exhibiting fractal behavior

A contact stress analysis is presented for a layered elastic half-space in contact with a rough surface exhibiting self-affine (fractal) behavior. Relationships for the mean contact pressure versus representative strain and the real half-contact width versus elastic properties of the layer and the substrate, asperity radius, layer thickness, and truncated half-contact width were derived from finite element simulations of a layered medium compressed elastically by a rigid cylindrical asperity. These relationships were incorporated in a numerical algorithm that was used to obtain the contact pressure distributions and stresses generated by the asperity contacts formed at the interface of the layered medium and the fractal surface. Analytical solutions illustrate the significance of the elastic material properties, layer thickness, and surface topography (roughness) on global parameters such as normal load and real contact area. Results for the contact pressure distribution and the surface and subsurface stresses provide insight into the initiation of yielding and the tendency for cracking in the layered medium. It is shown that cracking at the surface and the layer/substrate interface is more likely to occur in the case of a stiff layer, whereas surface cracking is more prominent for a relatively compliant layer.     

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.      

谐波减速器黏着磨损失效加速寿命模型研究

针对空间润滑谐波减速器黏着磨损失效的加速寿命试验方法问题,首先基于Johnson-Williamson的粗糙表面接触模型建立了混合润滑状态下的黏着磨损模型,模型表明磨损速率主要由粗糙表面微凸体接触承担的载荷比例决定.然后,对磨损部位进行考虑粗糙表面真实形貌与润滑剂流变特性的混合润滑数值分析表明,转速与载荷对微观界面接触与润滑分布状态的影响显著,温度的影响有限,因此传统提高转速并升高温度以保持油膜厚度一致的加速寿命试验方法已不适用.最后以增大转速、载荷并保持或增大混合润滑状态下微凸体接触承担的载荷为加速寿命试验准则,以微凸体承担载荷为加速应力建立了黏着磨损的加速寿命模型,并以不同工况的加速寿命试验与寿命分布统计对其准确性进行了验证.     

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。     

芳纶纤维增强酚醛树脂摩擦材料的磨损机理研究

对芳纶增强酚醛树脂摩擦材料在模拟制动工况下的磨损机理进行了系统的实验研究,结果表明：在试验工况下,两种摩擦材料在与铸铁偶件对摩时均呈现粘着磨损和塑性变形特征;在高速和高压条件下塑性变形加剧,摩擦材料磨损表面可见熔融迹象;摩擦副接触表面发生材料的相互转移,两种摩擦材料均可在偶件表面形成转移膜,且在高速和高压条件下转移膜更易形成;Kevlar纤维作为增强相可以有效地提高摩擦材料的摩擦稳定性,并降低摩擦系数;摩擦材料的磨损机理主要为擦伤作用、粘着磨损和塑性变形。     

多粗糙峰弹塑性接触的有限元分析

采用具有一定数目圆形粗糙峰的刚性表面对弹塑性半元限体进行压下的模型来模拟多粗糙峰接触,并用有限元法对该模型进行了弹生分析,揭示了我地接触区应力状态的影响规律,发现中心接触区的变莆主要受到一定数目邻近粗糙峰的影响,而处于较远自找影响较小,同弹性接触相比,在弹塑性接触过程中有更多的邻近粗糙对中心接触区发生作用,改变粗糙的间距、曲率半径和压下深度都会对其产生影响。     

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。     

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。      

不同管径氧化钛纳米管层的微动磨损性能

利用阳极氧化法在纯钛表面制备了3组平均内径不同的TiO2纳米管层试样,用扫描电子显微镜、硬度仪和轮廓仪对试样表面形貌、显微硬度、纳米硬度和粗糙度进行测试.在大气环境里,以球/平面接触方式,对摩偶件为超高分子聚乙烯球,采用PLINT高精度液压伺服式微动磨损试验机,分别在4种法向载荷下,对试样进行微动磨损试验.结果表明:随法向载荷的增加,同一摩擦副的摩擦系数降低;TiO2纳米管层的存在降低了钛与UHMWPE之间的摩擦系数,在不同载荷下纳米管层表面的摩擦系数均随管径的增大而增大,但低于无纳米管层的对照组;与UHMWPE对摩,TiO2纳米管层有很好的承载、抗剥离和耐磨性能;摩擦副的主要磨损机理为磨粒磨损、UHMWPE塑变导致的表层材料损失.     

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.     

时变接触特性表面对界面摩擦学行为的影响

通过在锻钢基材表面沟槽中分别填充灰铸铁HT300、Mn-Cu合金和Mn-Cu阻尼合金材料获得具有时变接触特性的表面,并对锻钢光滑表面试样和时变接触特性表面进行摩擦学试验,研究不同时变接触特性表面对界面摩擦学行为(摩擦噪声、摩擦振动以及磨损行为)的影响. 结果表明:填充HT300的时变接触特性表面缓解了界面磨损,有效延续摩擦系统的稳定状态,抑制摩擦振动和噪声的产生;相反,填充Mn-Cu合金和填充Mn-Cu阻尼合金的时变接触特性表面加剧了界面磨损,加速了摩擦系统不稳定状态的出现,进而激发出高强度的摩擦振动和噪声. 在本研究中,摩擦系统失稳引起摩擦振动和噪声主要归因于摩擦磨损过程中黏着撕裂和犁削等界面作用,填充材料的阻尼特性未能起到减振降噪的效果.      

考虑弹塑性变形阶段的干气密封接触模型

为探究干气密封摩擦界面在变形全阶段的接触特性,基于分形接触理论及微观接触力学理论,充分考虑微凸体变形的3个阶段,通过余弦函数构建干气密封全阶段接触模型,并分别与GW模型、KE模型和ZMC模型三种经典接触模型及相关文献的试验数据作对比,验证本文中接触模型的合理性与正确性. 最后对干气密封摩擦界面接触特性的主要影响因素进行探究. 模型研究结果表明:干气密封摩擦界面的接触特性与分形维数、特征尺度及两表面的真实接触面积有关. 接触特性与分形维数和两表面真实接触面积呈正相关,与特征尺度呈负相关. 分形维数越大,接触载荷与接触刚度的数量级就越大,且接触载荷变化范围相对较大. 当特征尺度每次以1个数量级递增时,接触载荷与接触刚度的变化范围较小,都在1个数量级内.      

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。     

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.