小Tabor数分形粗糙表面之间的黏着弹性接触分析

基于粗糙表面的分形描述和适用于小Tabor数微突体的黏着弹性接触理论,采用积分方法建立了小Tabor数分形粗糙表面之间的黏着弹性接触模型,获得弹性接触条件下的真实接触面积和载荷表达式,在此基础上采用单因素分析法分析表面粗糙度和材料性质对分离力的影响.结果表明,当分形维数增加时,粗糙表面单位面积上的微突体数目增加且高度减小,从而导致两表面间的分离力增大;当分形粗糙度参数增大时微突体高度增加,从而导致分离力减小;当材料弹性模量增加时黏着作用减弱,从而减小了分离力,而表面黏着能的增加会使分离力急剧增大.     

数值岩石试样破裂过程多重分形特征

采用数值分析的方法和FLAC3D软件,建立服从应变软化关系的非均质岩石试样模型。引入多重分形理论,通过盒计数法计算了单轴加载过程中峰前某一阶段单元体积应变的多重分形谱f(α)。分析了f(α)-α曲线特征参数#f和#α随加载过程的阶段特征,不同均匀程度的岩石试样在临近峰值强度前#α和f(α)max的变化规律。研究结果表明,采用多重分形理论对单元体积应变的空间分布特征进行描述,可以在较大的尺度内满足标度不变性。通过不同的参量进行概率计算得出的f(α)略有不同,但动态变化规律相近,f(α)曲线呈左钩形状,随着载荷的增加#f变大,而#α变小。当不是所有的盒子内都存在可测度的参量时,f(α)max随载荷的增加而增长。对于均匀程度不同的试样,峰前f(α)max与#α随均匀性的增加而减小,但在均匀性较高以后,逼近于某一常数。     

计及摩擦的球面弹塑性分形模型与应用

为了研究球面接触微凸体的弹塑性变化规律,在M-B分形模型的基础上考虑基底直径的实际变化情况,引入摩擦力修正因子,并基于修正的球面接触基底直径密度分布函数,最终建立了考虑摩擦因素的球面弹塑性分形模型;并以两球体接触为研究对象,分析了模型中的相关变量对接触强度的影响规律。仿真分析结果表明:当载荷不变时,分形维数的增加会导致真实接触面积先保持不变后增大再减小;当分形维数在1.35～1.7区间时,接触面积上升的速度最快;增大摩擦系数或降低材料特性参数,有利于提高接触承载能力;粗糙度幅值参数对真实接触面积和弹性接触面积占比的影响大略一致;当粗糙度幅值增加时,真实接触面积和弹性接触面积占比都随之降低。     

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.      

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pm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φ_0随D的增大而增大,压实孔隙所需要的最大变形量δ也随之增大;接触压力p_c增大,孔隙率φ减小,并随着D的增大和G减小,φ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.     

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.     

金属轧制过程辊缝非稳态混合润滑特性研究

根据Tsao和Sargent的混合润滑假设,建立了板带轧制时混合润滑状态下的非稳态润滑基本模型.系统分析了非稳态混合润滑状态下,基于正弦后张应力输入时,摩擦应力、压应力随时间和表面粗糙度变化的分布情况,以及基于某一压下率下在不同时刻表面粗糙度对摩擦应力、压应力分布的影响.结果表明:在较大的后张应力情形下,工作区中的压应力对表面粗糙度非常敏感,且随着表面粗糙度的增加相应增加;当后张应力减小时,压应力对表面粗糙度的敏感度下降.表面粗糙度对工作区中摩擦应力的分布有较大影响,当有较大后张应力输入时,辊缝间压应力相应较低,此时摩擦应力大小分布对表面粗糙度非常敏感,且随着表面粗糙度的增加而增加.与后张应力相比,表面粗糙度对摩擦应力的影响更为显著.     

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.      

基于表面粗糙度影响的摩擦声发射特性研究

接触表面粗糙度是影响摩擦的重要因素之一,而摩擦为复杂的动态过程,在线测量非常困难.为了研究表面粗糙度对摩擦的影响,利用声发射技术对不同粗糙度表面的摩擦过程进行了检测.研究结果表明：摩擦系数随着表面粗糙度的增大而增大,但当粗糙度增至一定程度时,摩擦系数随着表面粗糙度的增大而减小;声发射信号各参数（振铃计数、振幅、能量）随表面粗糙度的变化规律与摩擦系数随粗糙度的变化规律一致;声发射信号各参数与表面粗糙度存在密切的对应关系,因此,用声发射技术实时监测摩擦过程是可行的.     

钢轨-磨石相互作用的摩擦学模拟试验研究

设计了新型钢轨打磨摩擦试验机,实现了钢轨-磨石相互作用的摩擦学模拟试验,研究了不同打磨参数下的钢轨-磨石界面的摩擦系数、表面粗糙度、磨损量及硬度等变化情况.结果表明:随磨石粒度增加,打磨钢轨表面粗糙度和磨损量呈减小趋势;增加磨石转速导致摩擦系数和表面粗糙度减小,打磨钢轨磨损量和表面硬度增加;随打磨压力增加,摩擦系数和表面粗糙度呈减小趋势,但磨损量和表面硬度增加;打磨钢轨表面存在明显的犁沟,随磨石粒度减小犁沟变宽;所设计钢轨打磨摩擦试验机可用来评价不同参数下钢轨-磨石界面相互作用的摩擦学行为.     

A friction contact stiffness model of fractal geometry in forced response analysis of a shrouded blade

To investigate the nonlinear vibration behavior of a shrouded blade with friction dynamic contact interface, a friction contact stiffness model is proposed to describe the friction force at different rough interfaces and different normal loads. In the proposed model, the friction contact interface is discretized to a series of friction contact pairs and each of them can experience stick, slip, or separate states. Fractal geometry is used to simulate the topography of contact surfaces. The contact stiffness is calculated using the Hertz contact theory and fractal geometry, which is related to contact interfaces parameters including normal load, roughness, Young??s modulus, and Poisson??s ratio. The trajectory tracking method is used to predict the friction force and it is not necessary to judge the transition condition among stick, slip, and separate states. It is suitable for complicated periodic motion of the contact interfaces. The forced response of a real shrouded blade is predicted using the proposed model and the multi-harmonic balance method. The effect of surface roughness, initial normal load, and contact area on the forced response of a shrouded blade is studied. It is shown that contact stiffness increases with normal load and fractal dimension. The resonant amplitude is sensitive to the initial normal load and contact surface roughness. The response can be influenced by the contact area, which is an important parameter for blade designers.     

引入特征粗糙度参数的Stribeck曲线试验研究

为探讨表面粗糙度对Stribeck曲线的影响,对不同初始表面的不锈钢销试件与45#钢盘试件在浸油润滑条件下进行摩擦磨损试验,研究摩擦系数的变化规律.结果表明:摩擦副表面越粗糙,对应Stribeck曲线上混合润滑区域面积越大,曲线斜率越小,使得不同表面粗糙度下的摩擦系数试验模型不具有唯一性.因此,将由分形参数导出的能客观表征粗糙表面的"特征粗糙度"参数引入Stribeck动压参数,从而提出新的动压参数.在新的动压参数下,具有不同表面粗糙度摩擦副的Stribeck曲线具有较好的一致性,继而可建立与粗糙度无关的摩擦系数试验模型.     

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.     

具有分形结构界面的固体膜/粘滞层/基底层状结构的变形

考虑固体膜/粘滞层/基底结构中粘滞层/基底界面不平整对结构的稳定性,特别是固体薄膜稳定时的褶皱变形产生的影响.考虑自仿射和峰状的粗糙界面.自仿射的粗糙界面由振幅和分形维表征,振幅和分形维越大对结构平衡的影响越大;峰状界面由振幅和平均峰间距表征,振幅越大对结构平衡影响越大,平均峰间距越小对结构平衡影响越大.进而,用有限元方法模拟分析该结构,得到界面平整和不平整两种情况下固体膜面内失稳力.结果表明,粘滞层/基底不平整情况下结构的平衡状态与假设该界面为理想平整面所得的结果有很大不同,在结构尺寸较小的情况下不可假设该界面为理想平整来考察该结构的稳定性.     

相对湿度对几种摩擦副静摩擦系数的影响

在自制的试验台上考察了相对湿度对金属－金属摩擦副、金属－石墨摩擦副、金属－TiN涂层摩擦副及金属－WC涂层摩擦副的静摩擦系数的影响。结果发现,相对湿度对金属－石墨摩擦副和金属－WC涂层摩擦副的静摩擦系数没有影响,而对金属－金属摩擦副和金属－TiN涂层摩擦副的静摩擦系数有影响。利用分形接触模型推导并计算了由水膜的弯月面效应引起的附加静摩擦系数,计算结果与实际变化趋势相吻合,静摩擦系数的计算值比实际值稍偏大。     

岩体结构面粗糙度系数定量表征研究进展

1978年,Barton提出的节理粗糙度系数(joint roughness coefficient,JRC)被国际岩石力学学会作为评估节理粗糙度的标准方法.然而该方法存在人为估值的主观性缺陷.就此,国内外学者围绕岩体结构面粗糙度定量化表征开展了大量的研究工作.首先,从二维节理轮廓线到三维岩体结构面,系统地阐述了其粗糙度定量化表征方法研究进展,并总结了各方法参数与JRC的关系;评价了各表征参数的本质特性及其适用性;指出了各方法参数获取过程中存在的问题,主要有:采样间隔的影响,三角形单元划分的影响,如何确定综合参数法中各参数的权重;针对这些问题,给出了笔者的一些想法、建议.与此同时,对结构面粗糙度表征的两个热点问题,即各向异性和尺寸效应的研究也进行了详细总结分析.最后,笔者认为:(1)分形维数因是描述自然界复杂几何体的一种简洁有力的工具,其仍是结构面粗糙度定量描述的有效方法;(2)3D打印技术的应用,有望在开展结构面各向异性、尺寸效应研究方面取得突破性进展.     

干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型

为揭示干气密封滑动摩擦界面高频微幅自激摩擦振动规律,用分形参数表征摩擦界面形貌特性,根据重新建立的微凸体接触变形方式,以及对非协调弹性体在切向力作用下初始滑动问题的研究,建立了干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型. 通过数值对切向接触刚度的影响因素进行了分析,研究结果表明:切向接触刚度随分形维数、真实接触面积和材料特性系数的增大而增大;切向接触刚度随特征尺度、摩擦系数的增大逐渐减小. 相比于分形维数、特征尺度和材料特性系数对切向接触刚度的影响,摩擦系数的影响相对较小. 这些研究结果为进一步研究干气密封高频微幅自激摩擦振动奠定了基础.      

磨合过程摩擦力单重分形和多重分形的研究

分别在CD40润滑油和加入添加剂的CD40润滑油润滑条件下,通过销-盘摩擦磨损试验机对船用柴油机活塞环和缸套进行磨合磨损试验,提取摩擦力的时间序列信号,应用分形维数和多重分形谱研究了摩擦力的分形行为.结果表明:摩擦力信号具有分形特征;随着磨合磨损过程的进行,信号的分形维数和多重分形谱出现规律性的变化;不同阶段信号的分形维数趋于减小,与磨损表面粗糙度的变化规律一致;不同阶段信号的多重分形谱呈现出递增或递减趋势,反映了磨损表面的动态变化过程.因此,摩擦力信号的分形维数和多重分形谱可以对磨合磨损过程进行定量分析.