基于Hertz 理论圆柱和平面之间的滑动接触分析

当圆柱与平面之间产生摩擦滑动接触时,基于Hertz理论,推导了平面内应力分量的计算公式,分析了应力的分布,描述了应力分布的特点.在接触表面上,存在最大拉应力和最大压应力;最大拉应力出现在拖动边的边缘,而最大压应力发生在导向边的区域.因此,如果接触平面因拉或压应力引起失效,首先会出现在接触表面;第一型裂纹的产生及扩展首先会发生在拖动边的边缘.剪应力,主剪应力及Von-M ises等效应力(当摩擦系数较小时)的最大值均会出现在接触体内,存在于导向边.因此,塑性滑移开始首先会发生在接触体内,然后,才扩展到接触表面.这些结论为工程应用研究提供了依据.     

A model for computational investigation of elasto-plastic normal and tangential contact considering adhesion effect

With the rapid development of Micro-Electro-Mechanical System (MEMS), we enter a field in which the surface effects have dominated many of the micro-scale phenomena, and the adhesive contact is one of the focuses. In this paper, a feasible model for finite element computation is presented via a macroscopic and microscopic combination approach, in which the adhesive forces are simulated by some non-linear spring elements considering the softening stage. Two basic problems concerning the adhesion effect were considered; through specific quantitative analysis, the results show a consistency with the current elastic continuum theories of adhesion and a brief investigation into the effects of adhesion on plastic deformation and tangential contact will be carried out as well. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172050, 90205022) and Key Grant Project of Chinese MoE (0306)     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

子午线轮胎接触变形的结构有限元分析

针对195/60R14子午线轮胎建立了三维非线性有限元模型,着重研究了额定充气压力及静载荷作用下帘线承受拉应力和剪应力的基本特征.计算结果表明,接地区域摩擦力呈斜对称分布,反映了轮胎中帘线-橡胶复合材料存在变形耦合效应;冠带层、带束层、胎体帘线应力分布较为复杂,载荷变化对其应力水平和分布影响较大;在胎肩部位应力较高,且随载荷变化局部帘线应力变化剧烈,在承受交变载荷时,易形成层间剥落.分析结果有助于预测轮胎的使用性能,可以针对性地应用于因轮胎结构设计引起的质量损坏,某些对轮胎使用性能不利的受力状态可通过结构的优化设计来克服.     

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.     

载荷和电压对纯铜滚动载流摩擦学性能的影响

基于FTM-CF100型滚动载流摩擦试验机,研究了纯铜滚动载流摩擦副在不同载荷和外加电压下的性能变化规律,并利用扫描电子显微镜、白光干涉三维形貌仪等对摩擦表面进行微观分析,揭示了稳态运行时性能变化的机理.研究表明:增加载荷和增加电压均促进粗糙接触表面发生形变,真实接触面积的增加降低了接触电阻,摩擦区域粗糙度的改善提高了动态摩擦系数和动态电阻的稳定性.但电阻热促进材料黏着,因而同一载荷下载流摩擦系数高于单纯机械摩擦系数,且随外加电压的增加持续增加.     

氧化锌晶须填充尼龙复合材料的滚动摩擦性能

采用热压成型法制备氧化锌晶须(ZnOw)填充PA1010复合材料,在牵引滚动摩擦磨损试验机上研究复合材料的滚动牵引摩擦磨损性能,采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察分析磨损表面及其转移膜形貌.结果表明:复合材料的牵引力系数、蠕滑比和磨损量随牵引负荷增加而升高;在同一牵引负荷条件下,蠕滑比和磨损量随ZnOw含量增加先降低而后增加,当ZnOw含量为10%和15%时,复合材料的蠕滑比和磨损量较低;尼龙基体的主要磨损机理为严重的塑性流动和基体溃裂,并伴有轻微粘着;当ZnOw含量为10%和15%时,犁沟是复合材料的主要磨损机制,同时在偶件表面形成了结构致密的转移膜;填充20%ZnOw的复合材料的磨损表面出现表层脱落,同时在偶件表面形成层状转移膜.     

一种分析手指接触摩擦的新型试验装置

手指接触摩擦行为的研究对人类生产生活具有重要的意义,鉴于影响这一行为的因素众多,到目前为止手指接触摩擦特性还未被深入认识.针对当前手指接触摩擦试验中的试验变量难以控制和试验可靠性较差等问题,设计出一种新型的试验装置并对受试者手指进行了接触摩擦重复性试验,得出新型装置能确保手指与样品间的法向力、接触角度的稳定性,使得试验结果具有很好的可比性和可靠性,并证实了该试验装置能准确地考察粗糙度、接触角度等因素对手指接触摩擦过程的影响.该装置的研制将对系统深入揭示手指接触摩擦学行为具有重要的意义.     

两种不同形状压头与单晶铜基体间接触力和摩擦力的纳观分析

在考虑单晶铜基体弹塑性形变和晶体各向异性情况下,基于原子尺度,采用混合势函数(EAM和Morse)和Verlet算法动态模拟了半球形和圆锥形两种不同形状压头与单晶铜基体的黏着接触和滑动摩擦过程,分析了接触力和摩擦力对单晶铜基体内失效原子变化情况.研究表明:当压头下压位移为0.9 nm时,由于半球形压头比圆锥形压头底部表面积大,导致半球形压头与基体之间的引力更大而更易产生黏着接触现象.在下压接触过程中,与半球形压头相接触的基体内出现位错原子长大成位错环,而与圆锥形压头相接触的基体未出现此位错环现象,但位错原子数均随压深的增加而增多;在滑动过程中,因半球形压头对基体的摩擦力和法向力比圆锥形压头对基体的摩擦力和法向力大,使得半球形压头比圆锥形压头正前方堆积的位错原子数多,但均随滑动距离的增加而增多.