基于分子动力学-格林函数法的微凸体接触数值分析

表面接触是摩擦的先决条件,其真实接触面积、压应力大小、空间分布等一直是接触力学关注的核心问题.采用分子动力学-格林函数法(GFMD)模拟粗糙面的接触过程,验证了其在大规模接触分析中的高效及准确性,同时探讨了由微球体组成的粗糙面的接触力学特性,并分析了分子尺度下的结果和传统力学模型计算结果的差异.结果表明,单个微凸体接触结果和分子动力学-格林函数法模拟所得非常接近,误差在5%以内.数值模拟发现,在微凸体高度符合高斯分布的情况下,接触面积和接触力成线性关系;在相同接触面积下,微凸体模型得出的接触力偏高,是上限值.微凸体模型没有考虑微凸体间的相互影响,实际是高估了弹性体的刚度;实际接触过程中微凸体相互影响,微凸体对临域形变影响尤其大,使接触区域更加离散.GFMD模型可以准确计算数十亿量级别分子、原子接触过程中真实接触面积及分布,为后续摩擦、滑移等分析提供可靠的参考.     

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。     

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．     

粗糙表面的摩擦触觉感知研究

本文中研究了手指触摸粗糙表面的摩擦振动特性、脑电生理反应和主观评价,为产品触感舒适性和抓握可靠性设计以及产品触感量化表征提供理论依据.研究结果显示：随着表面轮廓算术平均偏差和轮廓单元平均宽度的降低,摩擦系数和功率谱重心逐渐增大,垂直偏差逐渐降低;垂直偏差、功率谱重心和摩擦系数特征参数能够反应粗糙表面的形貌特征变化,并且与人的主观感知评价一致,可以用来定量表征人对材料表面粗糙度、细致度和黏着度的感知. ERP曲线的P200成分峰值与接触表面的粗糙特征相关,粗糙度大的表面诱发的P200峰值高;P300成分与人的主观认知判断有关,粗糙感强、细致感差及黏着感低的表面诱发的P300峰值高且潜伏期短.研究表明,材料表面的粗糙特性通过影响皮肤的接触摩擦行为,进而影响人脑的触觉感知和主观评价.表面摩擦振动特性、人脑电生理反应和触感主观评价具有相关性,三者结合是系统研究粗糙表面摩擦触觉感知的有效手段.     

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     

基于基底长度的粗糙表面分形接触模型的构建与分析

为建立更为精确的粗糙表面接触模型,根据微凸体变形特征、分形理论以及摩擦的作用,从微观角度基于基底长度建立了粗糙表面分形接触模型.通过与其他粗糙表面接触模型和实验数据的比较,验证了本文模型的正确与合理,并由数值仿真分析了分形维数、接触载荷与真实接触面积之间的相互关系.分析结果表明:特征尺度一定时,要维持一定的真实接触面积,分形维数越大,所需要的力也越大;分形维数与特征尺度一定时,随着载荷的增加,接触面积也在增加;特征尺度与接触力一定时,随着分形维数的增大,真实接触面积在减小.该模型的建立为进一步研究粗糙表面的摩擦、磨损与润滑提供了理论依据.     

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.      

基于共轭梯度法和快速傅立叶变换的粗糙表面微动接触数值研究

实际工程表面多为粗糙表面,研究粗糙表面的表面形貌对微动接触中压力和应力的影响具有重要意义。本文研究接触过程中法向载荷保持不变,切向载荷为周期性的交变载荷。首先,建立接触算法和模型,算法核心是利用共轭梯度法CGM(Conjugate gradient method)计算微动接触中的表面压力及切向应力并利用快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier transform)加快计算速度。然后,对单峰表面、正弦表面和随机粗糙表面的接触进行数值研究。结果表明,表面幅值对切向载荷-位移曲线以及接触过程中的能量耗散有影响,表面幅值越大,相同切向载荷作用下产生的切向位移越大,能量耗散也越大。     

基于油膜干涉法的表面摩擦应力测量技术研究

本文应用油膜干涉法及速度型方法在平板模型上进行低速湍流的表面摩擦阻力测量,探索了油膜法测量表面摩擦阻力的实验技术,分析了不同实验方式对测量结果的影响以及实验误差产生的原因.研究表明,模型安装方式、油膜布置方式以及重力作用的影响在油膜干涉法中基本都可以忽略,在精度要求不高的情况下,不需要对结果进行修正.通过采用热膜法和油...     

乏油环境下橡胶密封材料在粗糙表面上的摩擦磨损行为研究

在UMT-3多功能摩擦磨损试验机上,以丁腈橡胶/Si C砂纸配副为研究对象,系统研究了乏油(包括润滑油和润滑脂)环境下橡胶密封材料在不同粗糙表面上的摩擦学特性,重点考察了乏油工况下橡胶/粗糙表面摩擦配副的摩擦系数时变性、减摩程度和减摩持久性,揭示了乏油工况下橡胶在粗糙表面上的损伤机制.结果表明:乏润滑剂工况下,润滑剂的减摩程度和减摩持久性强烈依赖于对偶件表面粗糙程度;随着对偶件表面粗糙度的降低,润滑剂的减摩程度呈先缓慢提高后迅速增强的变化趋势,然而减摩持久性先降低后又逐渐升高.同时,乏油工况下的减摩持久性均优于乏脂环境;在磨损机制上,随着对偶件表面粗糙度的降低,乏润滑剂环境下橡胶材料的表面均由伴随明显犁沟特征的严重磨粒磨损逐渐转变为损伤轻微的磨粒磨损.而在无润滑条件下,橡胶由典型的磨粒磨损机制损伤特征转变为花纹磨损形貌,最后又向黏着磨损机制转变.     

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.     

波数-频率域内地基土表面位移Green函数的理论分析

建立了柱面坐标系下分层弹性半空间地基土模型。利用钟阳刚度矩阵法和Haskell-Thomson传递矩阵法推导出所有分层土体之间的振动传递关系;根据Helmholtz定理将土体的位移向量分解成势函数的形式,推导出弹性半空间表面应力与位移之间的关系;再将分层土体和半空间地基土通过位移与应力之间的关系进行耦合,得到分层弹性半空间地基土模型表面位移与应力之间的关系。结合单位脉冲荷载作用下地基土表面的边界条件,推导出波数-频率域内地基土表面位移Green函数的解析解,用Matlab程序语言对理论进行实现并通过算例对地基土表面位移Green函数的特征进行了分析和总结。     

表面溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜的微观结构及其摩擦磨损性能研究

采用表面溶胶-凝胶法在普通载玻片上制备TiO2纳米结构薄膜,用X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析薄膜组成结构及其表面形貌,用UMT-2型摩擦磨损试验机考察表面溶胶-凝胶法和传统体溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜的摩擦磨损性能,用扫描电子显微镜(SEM)观察分析薄膜表面及其磨痕表面形貌.结果表明,与传统体溶胶-凝胶法相比,表面溶胶-凝胶法制备的薄膜摩擦磨损性能得到明显改善.这是由于多次干燥过程在一定程度上避免了传统体溶胶-凝胶工艺的后续干燥和热处理过程中大量残留溶剂瞬时溢出而导致的结构缺陷,从而使得薄膜具有更高的致密性,降低了薄膜表面粗糙度,提高了抗磨性.     

基于分子动力学模拟的多晶结构微观热-力耦合行为的计算

基于分子动力学模拟,建立了一套可用于表征微观下多晶结构热-力耦合行为的算法框架。该算法的要点是将连续模型和分子模拟耦合起来,并使守恒定律在微观连续模型和原子层次上都得到满足,与利用传统的连续介质力学建立晶界与晶粒的本构方程相比,本模型中的连续流是通过原子模型准确计算得到的,从而避免了使用经验的本构方程。     

基于泛形理论的粗糙表面法向接触刚度研究

基于泛形理论和赫兹接触理论,通过泛形海岛分布描述粗糙表面的形貌从而建立结合面弹性接触模型,求解结合面的法向接触刚度。假设粗糙接触表面微凸体的高度满足高斯分布,通过赫兹接触理论建立单个微凸体的微观接触模型,利用粗糙表面的泛形复杂度D与面积度量尺码的最小下确界as确定表面形貌。泛形复杂度反映微凸体在粗糙表面上占据的空间大小程度;度量尺码下确界是接触过程中的最小接触面积。通过泛形复杂度和面积最小下确界推导出粗糙表面法向接触刚度的解析表达式。数值算例结果表明：在相同的面积尺度区间内,粗糙表面的法向接触刚度随着泛形复杂度的增加而增加,反之减小。当接触表面的泛形复杂度不变时,粗糙表面的法向接触刚度随最小下确界的减小而增大。泛形复杂度的较大时,最小下确界的变化对于接触刚度的影响更加明显。通过与已发表的文献结果对比分析之后,发现采用泛形海岛模型所得到的结合面接触刚度与文献中实验结果吻合较好。     

摩擦-电化学噪声法研究Mo改性钛合金的腐蚀-磨损行为

利用等离子表面改性技术在Ti6Al4V合金基体上制备Mo渗镀复合改性层,考察改性层组织结构,利用微动摩擦学试验机并结合电化学噪声技术对比研究基材及改性层在0.5 mol/L NaCl溶液中的腐蚀-微动摩擦学行为,对腐蚀-摩擦过程中的噪声参数进行分析.结果表明:纯Mo改性层能够明显改善钛合金的耐磨和减摩特性;同时提高了合金在0.5 mol/L NaCl溶液中的自腐蚀电位及降低了腐蚀电流,改善了合金表面的腐蚀-摩擦学性能.     

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

将结合面接触点拓展为椭圆形,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,采用代入法得到了表征椭圆抛物面形微凸体弹塑性接触变形机制的对应关系式.假设结合面接触点离心率分布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,进而依据三维各向异性分形几何理论建立了包含微凸体完全弹性、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,能较好的预测在轻载状态下的固定结合面法向接触刚度.