口腔正畸摩擦研究进展

正畸矫治是使用有效力使牙齿产生生理性的移动.一旦弓丝与托槽之间出现相对滑动的趋势时,摩擦力就会产生.如何减少弓丝与托槽间的摩擦力,提高轻力矫治的有效性是目前正畸矫治需要克服的难点.本文中阐述了口腔正畸摩擦力产生的力学基础,分析了影响正畸摩擦力的相关因素,对口腔正畸摩擦相关研究进展进行了综述分析.     

考虑接触界面材料微观结构与势能参数的滑动摩擦计算研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出了在无磨损界面摩擦中,利用通用界面粘附能量函数计算滑动时接触界面势能的变化从而计算摩擦力和摩擦系数的方法,建立摩擦力和摩擦系数与金属材料表面能与微观结构参数的关系,并利用已有的实验数据进行计算.结果表明,摩擦力与金属材料的表面能基本呈线性关系,与比例参数呈线性负相关关系,与晶格常数基本无关.计算结果与粘附理论公式以及超高真空原子力显微镜试验结果吻合较好.     

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。     

基于无量纲分析的法向恢复系数模型研究

作为描述接触碰撞过程能量损失的重要参量,恢复系数的深入研究对于提升现有接触碰撞力模型预测性能、准确描述接触碰撞现象,并进一步探明其对机械系统整体动态特性影响规律方面具有重要作用.鉴于现有恢复系数模型计算精度的局限性,本文基于无量纲分析方法,提出了一种考虑材料特性与初始碰撞速度的新型恢复系数模型.具体实施过程如下:首先,利用有限元软件ABAQUS建立弹性球-理想弹塑性基底法向接触碰撞数值仿真模型,分别从最小网格尺寸设置与接触碰撞能量转换角度验证了所建模型的有效性;基于此模型开展多工况下的数值模拟研究,分析不同材料弹塑性参数与初始碰撞速度对接触碰撞响应的影响;在此基础上,引入无量纲化参数E*/(ρv_nc²)与σ_y/E*,寻找恢复系数与弹塑性参数及初始碰撞速度间的函数关系;进一步结合Johnson塑性碰撞理论,反向推算获取屈服速度与材料属性的映射关系,最终建立无量纲化恢复系数新模型;通过与低速试验数据、高速有限元模拟结果的对比,验证了新模型的预测精度和泛化性能.     

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究. 首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模, 在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度, 其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力, 在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解摩擦力, 第一种是在滑动时摩擦力由摩擦系数和碰撞力计算得出, 黏滞状态下引入切向约束计算拉格朗日乘子反应实际摩擦力, 根据黏滞/滑动切换判断计算出碰撞过程摩擦力(与Coulomb摩擦模型计算摩擦力一致); 第二种根据LuGre摩擦模型摩擦系数和法向碰撞力计算其摩擦力, 从而在碰撞时无需黏滞/滑动切换, 采用相同的摩擦力计算公式. 通过与Coulomb摩擦模型对比发现, LuGre摩擦模型描述碰撞切向摩擦过程更精确, LuGre摩擦模型黏滞时建立约束方程和碰撞采用统一的摩擦力公式这两种建模方式描述的斜碰撞动力学特性没有区别, 进而说明采用法向接触约束和LuGre摩擦模型具有满足碰撞非嵌入情况、避免黏滞/滑动切换、描述摩擦力相对准确的优势.      

微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究

通过固液界面摩擦力测试装置研究了微液滴在PDMS软基体表面运动时的动态摩擦学行为,并对微液滴体积、滑动速度及软基体力学性能对固液界面动态摩擦行为的影响进行了分析. 结果表明:微液滴在软基体表面运动时表现出最大静摩擦力和动态摩擦力. 最大静摩擦力与微液滴黏度和速度梯度呈正比,动态摩擦力与微液滴体积、滑动速度和基体力学性能有关. 随着微液滴体积的增加,三相接触线长度增加,动态摩擦力增加;随着相对滑动速度增加,三相接触线长度及接触角滞后增加,动态摩擦力增加;随着软基体弹性模量降低,固液界面黏附力增加,固液界面运动能量耗散增加,动态摩擦力增加. 研究结果可为PDMS软基体表面微液滴的精确驱动和运动参数优化提供理论指导,也可进一步丰富固液界面摩擦理论.      

基于半解析法的钢绞线丝间摩擦学性能研究

为探究钢绞线丝间摩擦学性能，考虑钢绞线丝间摩擦接触和往复滑动行为等因素，基于曲杆理论、Archard磨损理论等，建立了周期弯曲钢绞线丝间摩擦学性能求解模型，采用半解析法实现快速求解，并通过与曲杆理论、有限元仿真结果对比以及磨损试验验证模型有效性，进而研究钢绞线丝间磨损深度、摩擦接触滑移等摩擦学性能参数的分布规律，分析载荷幅值、几何结构以及材料属性等对其丝间摩擦学性能的影响.结果表明：钢绞线丝间磨损发生在弯曲中性层外侧，钢丝未接触或接触但未发生滑移之处不发生磨损；弯曲载荷越大，磨损越严重；侧丝半径、捻角越大，丝间接触压力与接触变形均增大，故而磨损加剧；总磨损深度随钢绞线材料的弹性模量和泊松比增大而增大.     

基于多轴疲劳准则的齿轮点蚀寿命预测

综合齿轮动力学和弹性流体动力润滑理论,建立基于临界平面法多轴疲劳寿命预测模型.首先根据齿轮啮合特性获取齿面接触的时变参数,采用平均滤波方法模拟齿面磨合后的粗糙状态,并将齿面粗糙形貌带入油膜厚度计算,并基于量纲化差分方法建立齿轮的热弹流动力润滑模型;随后,通过润滑界面压力和摩擦力的分布计算近表面应力状态,确定接触近表面任意平面的应力与应变幅;最终,采用临界平面方法计算Smith-Watson-Topper(SWT)参数和最易萌生裂纹的平面,最终确定齿轮疲劳点蚀寿命,并试验验证模型有效性.结果表明：粗糙表面造成压力、油膜厚度和温度等波动较大,最大应力集中分布在表面,疲劳点蚀的微裂纹首先在表面萌生;齿轮疲劳点蚀数值模型可有效预测不同润滑条件下的疲劳点蚀寿命.     

柔性梁斜碰撞问题的非线性动力学建模和实验研究

本文研究柔性梁点面斜碰撞问题。用Hertz接触模型处理法向撞击力,分别用Hertz切向接触模型和Coulomb摩擦力模型处理粘滞状态和滑动状态的摩擦力。从精确的应变与位移的关系出发,用绝对节点坐标法建立了柔性梁的动力学方程。为了准确地处理斜碰撞切向运动的复杂状态,提出滑动-粘滞切换的准则,在此基础上,设计了斜碰撞实验,数值对比了法向撞击力和法向速度的时间历程的仿真计算结果与实验结果,验证了Hertz理论在斜碰撞情况下的正确性。另一方面切向速度的实验与理论的结果对照表明滑动-粘滞切换准则的有效性。     

行星滚柱丝杠动态摩擦力矩和传动效率分析

针对行星滚柱丝杠摩擦力矩和传动效率随丝杆转速变化而变化，考虑润滑油黏滞、滚柱自旋滑动和螺纹接触点差动滑动产生的摩擦阻力，基于拉格朗日方法建立了行星滚柱丝杠机构动力学模型，计算了其摩擦力矩和传动效率，分析了负载和丝杆角加速度对机构动态摩擦力矩、瞬态传动效率和综合传动效率的影响. 研究结果表明:行星滚柱丝杠摩擦力矩随螺纹接触点相对滑动速度增大而增大；非稳态运行阶段润滑油黏滞和自旋滑动是产生摩擦力矩的主要因素；行星滚柱丝杠在大载荷运行时传动效率较高，丝杆加速时间越短其综合传动效率越高.      

Evaluating orthodontic force system in clinical condition with a numerical method

The aim of this paper is to quantitatively evaluating orthodontic force system during orthodontic treatment with a numerical method. Dental cast models were made to obtain digital models with impressions of a patient’s dental arch at regular intervals. Then the displacement of each bracket for a period of time was obtained by computer aided inspection. The finite element model of archwire in free status and brackets engaged in archwire was built. With the derived displacements applied as the boundary condition, the orthodontic force system at a time point was derived by a finite element analysis. The error of this method, especially the influences of friction and material of archwire on the orthodontic force system were discussed at last. This method can quantitatively evaluate the orthodontic force system generated from elastic material in clinic condition, the deformation history of archwire need to be traced for the orthodontic force generated from shape memory alloy.     

碳纤维束-圆辊细观接触行为研究

为探索碳纤维束-圆辊的接触机制,本文中采用自制摩擦模拟试验装置,结合薄膜压痕法分析了纤维束接触部位的三维(3D)表面形貌,研究了预加张力和接触角度对碳纤维束-圆辊接触面积的影响规律. 结果表明:碳纤维束-圆辊接触面内的纤维束取向度是影响接触面积的关键因素,当接触角度从60°增加到170°时,纤维束取向度逐渐减小,碳纤维束-圆辊接触面积也逐渐减小,且接触角度为60°时的接触面积是170°时的22倍;当预加张力从0.19 N增加到1.47 N时,纤维束取向度逐渐增大,碳纤维束-圆辊接触面积逐渐增大,且预加张力为1.47 N时的接触面积是0.19 N时的2倍. 在Hertz接触理论的基础上,考虑纤维束取向度建立碳纤维束-圆辊接触面积的理论预测模型,通过试验数据验证了该模型能够准确预测碳纤维束-圆辊的接触面积.      

基于神经网络的间隙机构运动副磨损预测

应用BP神经网络建立了磨损率与接触应力、滑动速度和材料硬度之间的非线性关系模型,并对该网络模型进行了验证和测试,结果表明,训练良好的神经网络模型能够准确反映样本所蕴含的内在磨损规律,且具有较好的预测效果。基于非线性弹簧阻尼模型和修正的Coulomb摩擦力模型对含间隙曲柄滑块机构进行数值仿真分析,获得间隙机构运动副的接触应力和相对滑动速度,利用训练好的神经网络磨损模型对轴套的磨损进行迭代磨损预测分析,发现随着曲柄转数的增加,轴套表面一些特定位置处的磨损越来越严重,最终导致轴套表面出现非均匀磨损现象,其原因是间隙机构运转过程在一些特定位置处产生了较大接触应力和碰撞力。     

路面横倾角度对人体步进摩擦的影响

预防滑摔是步进摩擦研究的主要目的,但现有研究集中于水平路面和上下坡,对横倾路面研究较少. 通过采用自制步进摩擦试验平台测试人体在横倾路面上行走时的摩擦力、足偏角和步态周期,计算必要摩擦系数. 结果表明:随着横倾角度的增大,重力的侧向分量增大,导致侧向摩擦系数增大并起主要作用,侧滑风险升高,可调整重心向低侧偏移以减小必要摩擦系数,从而降低滑摔风险;低侧脚足偏角减小,高侧脚足偏角增加,可增加低侧脚足偏角的方法增加动态稳定域以提高行走时的稳定性;路面横倾增大了侧滑风险,人体自适应平衡机制随之减缓步速,并缩短较危险的单支撑期和延长较安全的双支撑期以防止滑摔.      

表面织构对PTFE复合材料摩擦磨损行为的影响

为了研究表面织构对聚四氟乙烯(PTFE)复合材料摩擦磨损性能的影响规律及其作用机理，采用BBD响应面法对试验进行设计与分析，利用LSR-2M往复摩擦试验机测试了复合材料的摩擦学性能，建立了织构参数与摩擦系数和体积磨损率之间的二次回归模型，研究了槽宽、间距和角度参数及其交互作用对复合材料摩擦学性能的影响. 结果表明:二次回归模型显著，拟合精度分别为82.9%和83.2%，预测出槽宽323.2 μm、间距295.4 μm、角度88.7°时摩擦系数存在最小值0.147，槽宽331.1 μm、间距307.6 μm、角度87.6°时体积磨损率存在最大值8.11×10?5 mm3/(Nm)；织构增大了初始摩擦系数和体积磨损率，但有利于储存磨屑，在接触应力作用下磨屑中的纳米粒子与槽底及侧面的粗糙峰形成了机械互锁，提高了磨屑的附着力，促进了转移膜的生成.      

非公度双壁碳纳米管的层间摩擦

由于层间距和手性的耦合影响,非公度双壁碳纳米管的层间摩擦行为比较复杂,其规律至今仍不清楚。本文采用分子动力学模拟方法,研究了非公度双壁碳纳米管的层间摩擦特性。总体来说,层间距较小或层间手性角差较小时,层间摩擦力较大。当层间手性角差在10°以上时,层间接触接近非公度接触,层间摩擦力几乎不受层间手性影响;此时在层间平衡位置附近（0.34±0.02 nm）,层间摩擦力与层间距之间近似呈线性关系。无论层间手性如何匹配,边界原子所受摩擦力总是大于内部原子所受摩擦力,显示边界效应是纳尺度摩擦中的一个普遍现象。     

核废料硼硅酸盐玻璃在酸性溶液环境下的摩擦磨损性能

通过环境可控的直线往复式摩擦磨损试验机，以不锈钢球为对摩副，探究核废料硼硅酸盐玻璃在不同pH酸性溶液环境中的磨损行为和磨损机理. 研究发现，随着外界溶液pH逐渐从1增大到7，摩擦过程中的摩擦系数缓慢增加，但硼硅酸盐玻璃和不锈钢球的磨损量呈现先增大后减小的变化规律. 硼硅酸盐玻璃在不同pH下的材料去除与其界面的电荷特性和接触情况密切相关. 当溶液pH <2.5时，硼硅酸盐玻璃基底和不锈钢球表面带正电荷，界面的排斥作用降低了界面的直接接触和剪切应力，从而降低了玻璃材料的磨损量；当pH为2.5时，硼硅酸盐玻璃表面几乎不带电荷，使得硼硅酸盐玻璃和不锈钢球在磨损过程中进行直接的接触，导致其磨损量最大；当pH>2.5时，硼硅酸盐玻璃表面与不锈钢球表面分别带负电荷和正电荷，界面间呈现吸引力作用，界面间的水化层对磨损界面起到润滑作用，从而降低硼硅酸盐玻璃和不锈钢球的磨损量.      

沟槽对界面振动及摩擦磨损特性的影响

选用球-面/面-面两种不同的接触模式,分别探究了摩擦界面沟槽的存在对界面振动及摩擦磨损特性的影响.结果表明:沟槽具有捕获磨屑的能力,能够有效地减轻磨屑对界面磨损的影响,但接触模式的不同,沟槽棱边上的振动及摩擦磨损特性差异显著.在球-面接触模式下,沟槽的存在打断了界面的连续接触,导致界面摩擦信号产生突变,此外,球试样滑过沟槽时与沟槽棱边产生的撞击加剧了棱边的磨损,进而影响了沟槽收集磨屑的效率.在面-面接触中,沟槽的存在实时改变了界面的接触状态,从而导致了界面上接触压力的分布发生了转移,从而改变了界面力信号,此外,块试样与沟槽棱边并没有出现明显的撞击作用,因此沟槽的棱边保存得较为完好.     

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.