表面织构对重载线接触条件下40Cr钢摩擦性能的影响

利用激光微造型技术在环形试样表面加工出直径在20μm到80μm之间,且具有相同深度和面积占有率的圆凹坑,通过Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪测量试样表面,并采用ISO 25178参数对各试样表面进行三维表征,最后利用JPM-1双盘磨损试验机,在重载条件下(赫兹接触压力≥1 GPa)研究各组试样在不同工况下的摩擦特性及表面三维形貌参数对摩擦学性能的影响.试验结果说明:直径为80μm和20μm的织构表面润滑效果优于光滑表面.载荷、转速、滑滚比对摩擦系数的影响具有一定的规律性,且不同的工况下呈现的规律有所差别,在高速低载大滑滚比条件下,织构表面对提高摩擦副润滑效果最为显著,还进一步探索了表面三维表征参数Sa、Vv、Spc、Vmp、Vxp与重载条件下40Cr钢摩擦特性的关系.     

微凹坑织构表面对脂润滑关节轴承摩擦特性的影响

为研究脂润滑下表面织构对关节轴承摩擦特性的影响,设计和制造了4组表面高度算术平均值相同、表面微凹坑面积占有率分别为7%、10%、15%和21%的关节轴承内圈表面形貌.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维轮廓仪对试件表面进行测量,采用ISO25178定义的表面参数对试件表面形貌进行表征.在改造的HDM-20端面摩擦磨损试验机上,采用2#锂基脂润滑在不同载荷、转速条件下进行了一系列摩擦磨损试验,研究了表面形貌参数与摩擦系数的关系.在本试验中,选取表面高度算术平均值Sa和表面峰态Sku等表面高度参数、表面峰区平均材料体积Vmp、表面中心区平均空体体积Vvc和表面谷区平均空体体积Vvv等表面功能参数以及平均谷体积Sdv等表面特征参数对关节轴承表面形貌进行表征.结果表明:各表面参数对摩擦系数的影响不同,将表面高度参数、功能参数和特征参数这几种表面形貌参数结合对关节轴承表面形貌进行表征,更有利于脂润滑下关节轴承表面形貌的摩擦学设计.     

表面织构对刀具切削性能及前刀面摩擦特性的影响

为了研究刀具表面织构对切削性能的影响,通过控制前刀面上微凹坑的直径、深度和面积占有率等参数制备了两组表面高度算术平均值Sa相同的织构刀具.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对织构表面进行测量,采用ISO25178参数对测量表面进行表征;通过SL200KS接触角测量仪测量织构刀具前刀面湿润性的变化;随后在CA6140车床上进行45钢切削试验,研究不同织构对切削力、前刀面摩擦特性、工件表面粗糙度和切屑形变的影响.结果表明:合理的表面织构能够改善刀具的切削性能;切削液在前刀面铺展较快的织构刀具获得了较好的切削性能;凹坑直径、深度和面积占有率的协同作用对改善刀具切削性能至关重要,为了协调这三个织构参数,进一步研究三维表征参数Sku、Ssk、Sv、Vvv、Vvc、Sdv、Sda、Spd与刀具切削性能的关联性,为刀具表面设计提供了基础.     

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$p_{\rm m}$ 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$\phi_{0}$ 随$D$ 的增大而增大,压实孔隙所需要的最大变形量$\delta $ 也随之增大;接触压力$p_{\rm c}$ 增大,孔隙率$\phi$ 减小,并随着$D$ 的增大和$G$ 减小,$\phi$ 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.      

铁路道砟破碎特性的离散元分析

为降低有砟铁路轨道维护成本并提高乘客舒适度,对铁路道砟材料破碎机理深入研究具有重要作用。本文设计并开展了测量铁路道砟材料特征强度的试验,对道砟受压破碎过程的力和位移等数据加以分析;同时,通过三维激光扫描系统获取道砟三角网格多面体边界,依此采用颗粒平行粘结方式构造具有不规则真实外观的铁路道砟,并采用离散单元方法(DEM)数值模拟道砟径向加载破碎过程,分析应力应变曲线和粘结断裂数等数据以分析颗粒破碎机制。通过对多个道砟颗粒加载试验及数值模拟计算发现,随着道砟尺寸的增加,其有效压缩强度逐渐减小。道砟颗粒的有效压缩强度符合威布尔概率分布函数,并确定了其残存概率的平均强度和威布尔参量,试验和数值模拟结果相吻合。     

机械密封织构化表面粗糙度效应的有限元模型与摩擦学特性分析

为研究粗糙度效应对机械密封织构化端面承载能力、摩擦学特性以及密封性能的影响,基于有限元法建立了机械密封的混合润滑模型,针对确定性非高斯随机分布粗糙表面,考虑润滑液膜的宏微观空化作用和粗糙峰的接触,研究了圆孔型织构化机械密封的摩擦学性能和密封性能. 结果表明:平衡状态下处于全膜润滑区间的非高斯型粗糙织构表面,在研究范围内均方根值越大的表面其减摩效果越好,且泄漏率越大,从混合润滑区到全膜润滑区转变的速度也随之增大;非高斯表面的偏态值和峰态值对密封表面的承载能力,润滑性能以及密封性能有影响,但无明显规律;在混合润滑区,圆孔织构具有增摩效果,而在全膜润滑区表现出减摩效果.      

线夹杂的力学模型及其界面应力分析

采用材料力学的直杆和梁的变形假定，对平面线夹杂问题提出了一种能同时考虑夹杂两侧法向应力和剪应力间断的新的力学模型，然后通过集中力作用的Ｋｅｌｖｉｎ解答，求得了单夹杂问题的基本解。文中还导出了夹杂两侧的界面应力公式。最后对夹杂端点的应力强度因子及界面应力作了计算，结果令人满意     

基于数值计算的某新型生态挡土墙力学特性分析

城市化发展日益表现出对城市建设与生态环境协调关系的重视。作为挡土墙的重要类型之一,生态挡土墙逐渐成为城市挡土墙建设的重要部分。本文提出并设计出了一种新型装配式生态挡土墙,经工程实践,该挡土墙可有效建立两侧水力联系,体现出较好的生态价值。为论证该生态挡土墙的力学稳定性,采用ANSYS数值模拟的方法,对新型生态挡土墙进行了变形与应力分布规律的研究,计算结果与相关规范要求对比表明该生态挡土墙在稳定性方面均满足要求。最后运用层次分析法对挡土墙土压力的主要影响因素进行了敏感性分析,结果表明挡土墙结构的选型以及结构材料这两个指标的权重最高。研究成果可为实际工程安全控制提供有效依据。     

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著.采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定.此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤.为此,发展了一种...     

混凝土材料宏观力学特性分析的细观单元等效化模型

提出了一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法—细观单元等效化模型。该方法从描述混凝土材料的细观尺度入手,采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后,依据混凝土材料特征单元尺度来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各细观单元的有效力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。本文方法体现了材料非线性宏观力学特性源于其内在的不均匀性这一认识,而对不均匀性的描述则是以网格剖分是否影响其宏观力学特性为准则。因此,本文方法较其他细观力学方法最大的优点在于极大地减小了体系自由度数目（特别是对于三维问题）,从而提高了计算效率。算例分析初步验证了本文方法的高效性。     

EFFECT OF TWO-DIMENSIONAL MICROPILLAR ARRAYED TOPOGRAPHY ON SPREADING OF INSOLUBLE SURFACTANT-LADEN DROPLET

针对二维微柱阵列壁面上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,采用数值计算方法得到了液滴的铺展特征及相关参数的影响. 研究表明：活性剂液滴在微柱阵列壁面上铺展时,在壁面凸起处衍生出隆起结构,壁面凹槽处衍生出凹陷结构,随时间持续,隆起和凹陷均向两侧移动,且数量不断增加. 活性剂液膜流经凸起时,隆起高度呈驼峰形变化. 增大预置液膜厚度或活性剂初始浓度,铺展区域隆起和凹陷数量增多,液滴铺展速度加快. 增加凹槽深度或减小斜度会使毛细力作用增强,液膜破断可能性加大;增大凹槽宽度可加速活性剂液滴的铺展,加剧液膜表面波动幅度.     

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.      

分离压对波状基底上活性剂液滴铺展过程的影响

针对波状基底上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,引入受活性剂浓度影响的分离压模型,应用润滑理论建立了液滴高度和活性剂浓度演化方程组,通过数值计算方法得到了分离压作用下含活性剂液滴过程的演化特征. 研究表明:分离压作用下的液滴演化时间显著缩短,铺展速率加快,铺展前沿处衍生出的子波结构明显减少,铺展更加稳定;分离压对液滴铺展稳定性的影响与活性剂关联强度密切相关,减小引力强度系数α₁有利于促进液滴的铺展,而减小斥力强度系数α₂则起抑制作用,且放大了液滴的演化扰动能量,致使液滴铺展呈现不稳定特征;增加基底高度D或波数k均使液滴铺展速率减慢.      

薄板分析的一种离散条法

建立薄板分析的一种离散条法，该方法通过引入满足边界条件的正交形函数，将目前用于梁，杆等一维结构的系统的离散元法扩展应用于薄板的力学分析。     

镓铟锡液滴撞击泡沫金属表面的运动学特性研究

常温下为液态的镓铟锡合金以其优异的导热性能在具有特殊要求的传热领域有着重要的应用价值,与传统流动介质相比较大的表面张力使得其产生的流动现象必有所区别.本文研究镓铟锡所形成的液滴撞击泡沫金属表面后所产生的铺展、回缩及回弹现象.采用高速相机拍摄液滴投影轮廓随液滴运动的变化过程,并通过图像处理获得不同撞击速度、底板表面孔径下的液滴铺展系数、中心位置轮廓高度以及液滴回弹后在空中的振动特性.研究结果表明:具有较高表面张力的镓铟锡液滴的铺展系数随无量纲时间的变化在铺展初始阶段仍满足常规流体的1/2次幂关系,只在铺展后期与底板的无量纲孔径有关系;液滴的最大铺展系数在较小无量纲孔径底板大于在光滑镍板,且随底板无量纲孔径增大而逐渐减小;在回弹过程,由于底板孔隙结构的存在使得液滴回弹后在空中的振动呈现3种形态:规则的横向和纵向振动、带旋转的横向和纵向振动以及旋转振动;最后,通过对振动频率的拟合和分析,进一步拓展了传统振动频率理论公式在非规则振动过程预测中的应用.      

砂土扰动效应的细观探讨

从细观尺度上分析了砂土类介质两种典型理想单元体内部结构变化对其力学响应的影响；结果表明即使颗粒性质相同，其结构形式（packing)不同亦有不同的力学响应。这为砂土扰动效应提供了一种以定量分析为基础的新解释。     

多尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展

简要介绍了多尺度方法的分类及各自的适用范围,重点阐述了主要的多尺度分析方法------均匀化理论,详细论述了多尺度分析方法在纤维增强复合材料弹性、黏弹性、塑性、失效退化、热力学等力学性能中的研究进展,最后对多尺度分析方法的前景进行了展望.      

离散元法研究的评述

介绍了离散元法的基本理论、计算方法及其应用的现状和最新进展.从离散元法的离散模型特点及便于甄别与其它数值计算方法的关系的角度给予离散元法一个比较宽松的定义.在此基础上阐明了离散元方法与刚体-弹簧模型(rigid body spring model, RBSM)方法,不连续变形分析(discontinuous deformation analysis, DDA)方法,分子动力学(moleculardynamics, MD)方法,三维离散元(discrete meso-element dynamicmethod, DM$^2$)方法及无网格方法(meshless method)等数值计算方法的关系, 并讨论了离散元法研究中亟待解决的问题和今后的发展方向.      

EFFECT OF MAGNETIC NANOPARTICLES ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF TYPE-II SUPERCONDUCTORS

In this paper, the effect of magnetic nanoparticles on the mechanical properties of a type-II superconductor is investigated both theoretically and numerically. Magnetic part of the pinning force associated with the interaction between a finite-size spheroidal magnetic inclusion and an Abrikosov vortex is calculated in the London approximation. It is found that the size and shape of magnetic nanoparticles result in different enhancements of vortex pinning in large-κtype-II superconductors. Meanwhile, the screening current induced by a magnetic spheroid suffer the action of Lorentz force, which will lead to prestress in the superconductor, so further numerical calculations are needed to explore the interaction between the spheroidal magnetic particle and superconductor. The distribution of displacement, stress and strain in the superconductor are finally obtained. It is shown that different sizes and shapes of nanoparticles also can change the distributions of these quantities.     

锚胫侧倾角对拖曳锚在砂土中的下潜性能大变形数值分析

拖曳锚作为一种造价低、结构简单的系泊基础,在深海资源开发中得到了广泛的应用。拖曳锚的安装下潜性能与锚的自重、锚板厚度、锚胫与锚板夹角、土层条件等因素相关,锚胫对拖曳锚下潜性能的影响研究还不深入。提出了一种通过调整锚胫侧倾角来提高拖曳锚下潜性能的方法,并采用大变形有限元分析进行了验证。以MK5拖曳锚在砂土中的安装过程为例,分析了不同锚胫前倾角、锚胫侧倾角、拖曳锚密度、锚–土界面摩擦特性等因素对拖曳锚下潜深度的影响。结果表明,相较于传统的锚胫内倾的拖曳锚,拖曳锚锚胫直立以及向外侧倾斜时其嵌入深度有明显提高。