机械系统中摩擦模型的研究进展

摩擦现象在机械系统中的作用日益突出, 合理地解决机械系统中摩擦环节尤其是非线性摩擦环节的制约问题 已成为当前研究的重点. 由于摩擦的复杂性, 很难从机理上获得其准确唯一的数学模型, 迄今已提出的摩擦模 型有数十种. 鉴于目前机械系统中摩擦建模的发展状况, 首先描述了几种重要的摩擦现象, 如库仑摩擦、黏性 摩擦、Stribeck效应、预滑动摩擦、可变的静态摩擦力和摩擦记忆效应等. 其次, 系统地介绍了几种较为重要的、 常用的摩擦模型, 包括6种静态摩擦模型和7种动态摩擦模型, 并对每一种模型的构成, 特点和适用范围等 进行了较为详细地论述. 比较而言, 静态摩擦模型结构简单, 参数辨识容易, 但是无法描述摩擦的动态特性, 动态摩擦模型能够比较全面的描述摩擦现象, 但结构复杂, 参数辨识难度较大. 再次, 简要概述了摩擦建模 对机械系统动力学行为的影响, 以及在高精度定位系统的控制中的作用. 最后, 针对当前机械系统中摩擦建 模方面存在的一些不足提出了几点展望. 为今后摩擦模型的选用和新摩擦模型的建立提供了参考.     

摩擦过程中真实接触面积的灰色分析

灰色系统理论是近几年以随机过程为研究对象而形成和发展起来的，在农业和自动控制等方面的研究与应用发展较快．为了使这种理论应用于摩擦学研究领域，从光全反射测量和计算机数值计算两方面，考察了粗糙表面接触时真实接触面积的随机特性，指出摩擦过程中的真实接触面积是一种含有随机成分的变化量，研究目标应当侧重于真实接触面积的变化趋势和范围，而不是它的精确解．在此基础上，首次利用灰色系统理论，分别对静态和动态接触条件下真实接触面积的变化规律进行了灰色分析，建立了精度比较高的预测真实接触面积的灰色模型ＣＭ（１，１）．这种模型对动、静接触面积的计算值与实测值具有良好的一致性，可以用于动态跟踪描述摩擦过程中真实接触面积的变化规律     

一类强非线性机械基础系统的亚谐振动解析解

建立了机械基础动力系统的强非线性动力学模型，利用能量法对该系统的周期解进行了解析研究，确定了系统动态参数满足周期解的条件、系统的周期解以及解的稳定性判别式。发现了亚谐振动，并给出了系统在满足周期解条件下的一组参数对应的主振动、1／3亚谐振动和1／5亚谐振动。最后利用数值积分方法计算了系统在给定条件下的主振动及亚谐振动解，考察了解析解的正确性。     

Ⅲ型扩展裂纹尖端场渐近解的研究

本文采用弹性-粘塑性模型对反平面剪切扩展裂纹问题进行了研究。文中通过对动态扩展问题和准静态扩展问题的分析得到了各自的渐近解,并且证明了准静态扩展解是动态扩展解的特殊情况,从而使二者统一起来。     

高孔隙率闭孔泡沫铝的低应变率压缩行为

通过落锤冲击实验研究高孔隙率闭孔泡沫铝的动态压缩性能及抗低速冲击特性, 同时通过高速摄影仪观察试件的动态压缩行为, 并记录落锤冲击速度的衰减过程. 结果表明, 高孔隙率闭孔泡沫铝的抗冲击缓冲效果明显, 且在低速冲击条件下其变形特征与准静态变形类似. 采用有限元方法分析了落锤和泡沫中应力的分布特点以及表面摩擦系数对应力分布的影响. 由于摩擦力阻碍了接触面处泡沫的横向位移, 致使其压缩外形呈``鼓形'; 在低速冲击时, 应力在泡沫铝试件内部的传播周期远小于冲击的缓冲时间, 应力波现象并不明显, 应力的变化与准静态压缩时相似. 在考虑接触面上摩擦力的基础上, 通过第2类Lagrange方程建立了落锤-泡沫材料的碰撞解析模型, 将预测的落锤冲击速度的衰减过程分别与实验和有限元结果进行比较, 取得了较为一致的结论, 并进一步讨论了不同冲击速度和材料参数对冲击过程的影响.      

实验建模方法在金属橡胶隔振系统分析中的应用

本文结合金属橡胶隔振系统的性能特点，利用静态实验数据建立数学模型，求解隔振系统的运动微分方程，并根据方程的数值解分析金属橡胶隔振系统的动静态特性，该建模方法减少了理论误差，提高了建模业度，为金属橡胶隔振系统的动静态特性研究提出了一种新思路。     

接触表面不平度对摩擦尖叫噪声的影响

针对摩擦尖叫的间歇性特点,建立了考虑摩擦接触表面不平度的3自由度摩擦自激振动机理模型.应用数值方法分析了接触表面不平度倾角对系统稳定性及瞬态动力学特性的影响,并进行了基于销-盘装置的摩擦尖叫噪声试验研究.结果表明:系统的稳定性主要取决于系统自身的耦合特性,但也与摩擦特性和接触表面不平度倾角的综合作用有关.当接触表面不平度倾角增大时,系统趋向不稳定,会激发尖叫噪声.     

电活性聚合物圆柱壳静态与动态电压下的响应及稳定性

摘要：在电活性聚合物圆柱壳内外表面施加电压,圆柱壳会变薄并且伸长,因此相同的电压会在圆柱壳内产生更大的电场。这个正反馈可能使圆柱壳厚度不断变薄,最终导致其失稳破坏。本文研究了电活性聚合物圆柱壳在静态和周期电压作用下的响应及稳定性问题。采用neo-Hookean材料模型得到描述圆柱壳表面运动的非线性常微分方程。给出了圆柱壳在不同厚度和边界条件下外加电压随圆柱壳变形的变化曲线,结果表明存在一个临界电压,当外加电压大于这一临界值时,圆柱壳将被破坏。同时,也讨论了厚度和边界条件对临界电压的影响。圆柱壳在正弦周期电压作用下,其运动随时间的变化是周期性的或拟周期性的非线性振动。给出了圆柱壳振动固有频率的计算结果,采用打靶法得到圆柱壳振动的周期解,并且用数值法研究了周期解的稳定性。采用数值仿真得到圆柱壳振动振幅随外加动态电压激励频率的变化曲线,结果表明圆柱壳会发生多频共振,共振时圆柱壳振幅发生跳跃,导致圆柱壳失稳破坏。最后给出共振点临近点的振动曲线和相图,并对其振动特性进行讨论。     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下,脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性,对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而,对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系,提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系,是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出;应变率与动态断裂韧度关系,是根据推出的裂纹速率及应变率关系,与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε0和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

动态油膜-柔性转子的分岔与混沌

研究非稳态动载短轴承支撑的Jeffcott柔性转于系统的动力特性,将转速比、不平衡量、阻尼比、黏度作为控制参数,利用Floquet乘子预测周期解的局部稳定性,通过Lagrange插值精细积分法给出系统运动的数值结果并预测系统的长期性态,显示系统在4个参数组合的某些范围内还存在多形式次谐波解,以及由倍周期分岔、二次Hopf分岔通往混沌的现象.将动态油膜力模型和稳态油膜力模型的数值结果进行比较,表明动态非线性油膜力模型的合理性.     

Collective behavior of viscoelastic asperities as a model for static and kinetic friction

We propose a statistical model for static and sliding friction between rough surfaces. Approximating the contact between rough surfaces by the contact of an ensemble of one-dimensional viscoelastic elements with a rough rigid surface, we study the collective behavior of the elements. We find that collective response of the contacts can lead to macroscopic behavior very different from the microscopic behavior. Specifically, various observed features of friction emerge as collective phenomena, without postulating them directly at the microscale. We discuss how parameters in our model can be related to material and surface properties of the contacting surfaces. We compare our results to commonly used rate and state phenomenological models, and propose a new interpretation of the state variable.     

直流磁场下销盘摩擦接触区的电磁感应现象

为了研究直流磁场对45钢销盘摩擦副的摩擦磨损特性的影响,根据磁场销盘摩擦试验机的结构和销盘摩擦副在摩擦过程中的实际接触情况,建立了二维微凸峰接触静态磁场和瞬态磁场有限元模型,分析了销盘摩擦接触区的电磁感应现象,得出以下结论:磁感应强度B在摩擦接触区分布不均,在微凸峰接触点区域的磁感应强度B值较大;摩擦试验中,在销盘磨痕和磨屑的微凸峰接触区将产生较高频率的动态磁化,同时在微凸峰上产生较大的感应电流,这些现象促进了销盘磨痕表面和磨屑的氧化.     

颗粒物质中最大静摩擦力随填充高度的变化规律

研究了圆棒在颗粒物质中受到的最大静摩擦力与颗粒填充高度的关系,并采用连续介质模型计算了圆棒在颗粒物质中受到的最大摩擦力.结果表明,当颗粒填充高度H小于圆筒直径的2倍时,最大静摩擦力F与H2成正比;当H大于2倍圆筒直径时,F与H成正比;理论计算结果与实验结果相符.     

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.     

钢球检测用展开轮表面微结构增摩降磨特性分析

针对钢球缺陷检测过程中,镜面钢球打滑引起的滑动摩擦导致展开轮磨损这一问题,以实现展开轮增摩降磨为目标,提出将微结构应用于钢球展开轮表面的方法.首先,应用激光微造型技术在T10A试件表面加工不同特征参数凹坑微结构,采用单因素法在MMW-1立式万能磨擦试验机上进行点接触干滑动摩擦试验;在综合考虑局部激光硬化和几何参数对磨损性能影响的基础上,结合试验数据建立基于Archard理论的微结构磨损模型;最后通过仿真技术及磨损试验验证磨损模型的正确性,进而对微结构特征参数进行优选.结果表明:在点接触干滑动摩擦工况下,提出的三种微结构表面均可以实现增摩降磨;建立的磨损模型能准确地计算磨损系数用以分析实际工况的磨损特性;优选了凹坑面积在S_2~S_4范围内的菱形微结构.提出的方法为钢球表面缺陷检测设备提供了技术支持,所建的磨损模型为干摩擦状态下凹坑微结构表面磨损程度的预测提供了理论参考.     

沟槽型织构化表面摩擦噪声特性试验研究

用电火花加工方法在制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出不同沟槽宽度和间距的沟槽型表面织构,在自行研制的新型摩擦噪声试验装置上,采用球-平面接触方式,选取直径10 mm的GCr15球为对摩副,对沟槽型织构表面和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,研究沟槽型织构对摩擦噪声的影响.结果表明:本试验条件下沟槽型表面织构的尺寸及分布对摩擦噪声具有重要影响,一定尺寸及分布的织构表面可明显降低摩擦噪声.本试验条件下的摩擦噪声产生主要归因于接触表面的不平顺、磨屑层不均匀分布以及犁削作用等界面因素,这些因素导致了界面摩擦力高频成分的产生,当其与系统的自然频率耦合时,将引起摩擦系统强烈的自激振动并最终产生摩擦噪声.而摩擦界面存在尺寸分布合理的沟槽型表面织构,将能提高界面排屑能力并打断摩擦界面连续的接触,扰乱摩擦系统的自激振动,抑制摩擦噪声的产生.     

A Linearized Method to Measure Dynamic Friction of Microdevices

We propose and evaluate a linearized method to measure dynamic friction between micromachined surfaces. This linearized method reduces the number of data points needed to obtain dynamic friction data, minimizing the effect of wear on sliding surfaces during the measurement. We find that the coefficient of dynamic friction is lower than the coefficient of static friction, while the adhesive pressure is indistinguishable for the two measurements. Furthermore, after an initial detailed measurement is made on a device type, the number of trial runs required to take the data on subsequent devices can be reduced from 200 to approximately 20.     

水基涂料性质对涂布纸表面摩擦性能影响的研究

采用GFJ04A型高速分散机制备出水基涂料,探讨了水基涂料的组分对涂布纸表面摩擦性能的影响,并探讨其磨损机理.结果表明:在瓷土和沉淀碳酸钙混合的涂料配方中,沉淀碳酸钙含量较高时涂布纸的静态和动态摩擦系数较高,而采用压光可以降低涂布纸表面的摩擦系数;在瓷土、沉淀碳酸钙和重质碳酸钙混合的颜料配方中,重质碳酸钙含量从0%～20%时,涂层表面的摩擦系数增大,但继续增加其含量时摩擦系数有所降低;羧基丁苯胶乳含量从6%～10%时,涂层表面的摩擦系数逐渐降低,当其含量超过10%后静态摩擦系数反而增大,当羧基丁苯胶乳含量为18%时摩擦系数达到最大值;润滑剂可以降低涂层表面的摩擦系数,其中聚乙烯蜡乳液和氧化聚乙烯乳液的减摩效果最佳.