机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究.首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在3个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响.研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关.为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了所提出的切向阻尼模型的有效性.     

弹塑性微凸体侧向接触相互作用能耗

传统的结合面研究多基于光滑刚性平面与等效粗糙表面接触假设,忽略了结合面上微凸体侧向接触及相邻微凸体之间的相互作用,这导致理论模型与实际结合面存在较大出入.针对承受法向静、动态力的机械结合面,从微观上研究了微凸体侧向接触及相互作用的接触能耗.将法向静、动态力分解为法向分力和切向分力,获取弹性/弹塑性/塑性阶段考虑微凸体侧接触及相互作用的加、卸载法向分力-变形和切向分力-位移的关系.通过力的合成定理,从而获取加、卸载法向合力与总变形之间的关系,由于法向分力产生的塑性变形及切向分力产生的摩擦,导致加载、卸载法向合力-总变形曲线存在迟滞回线.通过对一个加、卸载周期内的法向合力-总变形曲线积分,获得一个周期的微凸体接触能耗,包括应变能耗及摩擦能耗.仿真分析表明:微凸体在3个阶段的能耗均随变形的增大而非线性增大.微凸体侧向接触角度越大,能耗越大,且在弹性阶段最为明显.在弹性阶段,仅存在侧向的摩擦能耗,故结合面在低载荷作用下必须采用双粗糙表面假设.在塑性阶段,由于微凸体接触能耗为应变能耗,且接触角对其能耗影响甚微,故结合面在大载荷作用下可采用单平面假设对其进行研究.相对于KE和Etsion模型,本文提出的模型与Bartier的实验结果更吻合.     

考虑粗糙结合面弹塑性接触的黏滑摩擦建模

提出一种同时考虑粗糙面上微凸体弹性变形和塑性接触的切向黏滑摩擦建模方法.采用Hertz弹性理论和Mindlin解描述弹性接触微凸体的切向载荷和相对变形的关系;采用AF(Abbott-Firstone)塑性理论和Fuji moto模型描述塑性接触微凸体切向载荷和相对变形的关系.再利用GW(Greenwood-Williamson)模型统计分析方法建立粗糙表面切向载荷和相对变形之间的关系.将模型与仅考虑微凸体弹性接触情况的模型进行对比,并研究了不同塑性指数对切向载荷和相对变形关系的影响.结果表明:与完全弹性接触模型相比,论文模型引入了塑性接触理论,能够更好地描述粗糙表面切向载荷和相对变形关系,并且考虑不同接触条件下弹性变形微凸体和塑性变形微凸体对切向接触载荷的贡献,在微滑移阶段,主要由弹性接触变形影响,而在进入宏观滑移阶段之后,切向行为主要由塑性变形影响.界面切向载荷由黏着和滑移接触作用共同决定,随着切向变形的增加,滑移接触力逐渐增加,而黏着接触力先增加后减少,反映了界面由微滑移逐渐向宏滑移演化的过程.随着塑性指数的增加,粗糙面上发生塑性接触的微凸体数目逐渐增加,切向黏滑行为主要受到塑性接触特征的控制.     

基于微凸体接触压力分布的粗糙表面法向接触建模

提出一种考虑微凸体弹塑性接触变形影响的粗糙表面法向接触力学模型.采用有限元模拟微凸体弹塑性接触过程,分析不同塑性屈服条件对微凸体接触载荷和实际接触面积的影响.再根据微凸体接触面上压力分布的变化规律,将微凸体的接触状态分为完全弹性接触阶段、弹塑性接触阶段、完全塑性接触阶段.分析接触面压力变化规律对微凸体法向接触载荷-变形的影响,再利用GW模型的数理统计分析的方法得到粗糙表面的法向接触载荷.将论文提出的模型与完全弹性模型、CEB模型、ZMC模型、KE模型、JG模型进行对比,并且研究了塑性指数对粗糙面接触载荷-平均高度距离的影响.结果表明,论文提出的模型能够更好地描述微凸体法向接触载荷与接触变形的变化趋势,模型预测粗糙表面法向载荷与ZMC、KE模型具有较好的一致性;粗糙面接触载荷随着平均接触距离增加而减少,随着塑性指数的增加,不同模型预测的法向接触载荷差异逐渐增大.     

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...     

介观双粗糙弹塑性流体动力润滑界面法向接触刚度模型

弹性流体动力润滑状态通常出现在机械高副零部件的点/线接触部位,如齿轮、轴承和蜗轮蜗杆等.宏观上点/线接触在介观层面表现为两粗糙表面的接触,在微观层面上则又表现为微凸体间的接触.由于在中/重载荷作用下,粗糙表面上的微凸体发生接触后会产生弹塑性/塑性变形,从而使得两粗糙表面的弹流润滑接触转变为弹塑性流体动力润滑接触.此外,界面的接触刚度决定了机械装备的整机刚度.为了精确获得弹性流体动力润滑状态下界面法向接触刚度及其主要影响因素,基于界面的法向接触刚度由固体接触刚度和润滑油膜刚度两部分构成的思想,根据固体弹塑性理论和流体动力学理论,分别对界面间微凸体侧接触及部分膜流体动力润滑进行分析,从微观入手揭示双粗糙表面弹塑性流体动力润滑接触机理,进而建立考虑微凸体侧接触弹塑性变形的流体动力润滑界面法向接触刚度模型.通过仿真分析,揭示了法向载荷、卷吸速度、表面粗糙度及润滑介质特性等因素对润滑界面法向接触刚度的影响规律.研究表明：在相同速度、粗糙度及润滑油黏度的工况下,固体接触刚度和油膜接触刚度均随着法向接触载荷的增加呈非线性增大;在相同载荷、速度及润滑油黏度的工况下,接触表面粗糙度越大,表面形貌对于润滑...     

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.      

固-液结合面法向动态接触刚度及阻尼的理论模型与实验分析

固-液接触状态广泛存在于机床核心单元关键零部件的接触运动副中,精确获得固-液结合面法向接触刚度及阻尼参数是高档数控机床产品在研发阶段就存在的一个关键理论与技术问题,并且仍然尚未根本解决.固-液结合面在介观层面上表现为两个粗糙表面的接触,在微观层面上表现为微凸体之间的接触,并在中/重载荷作用下微凸体可能会发生弹性/弹塑性...     

包含几何误差的机械结合面法向刚度研究

对包含几何误差的机械结合面进行离散化,离散后的微表面的基准平面高度满足结合面几何误差分布.每个微表面内,微凸体的高度只受粗糙度的影响.基于接触理论建立了微表面的法向刚度模型,通过对微表面模型集成获得了结合面的法向刚度模型.通过对所建模型的数值仿真,揭示了结合面法向刚度与间隙的非线性关系,几何误差的幅值和波长对法向刚度的影响以及非线性刚度对结合面振动特性的影响.计算结果表明:法向刚度随着间隙的减少而迅速增加,几何误差会导致结合面宏观上的局部接触和应力集中;在相同干涉量下,法向刚度随着几何误差幅值的增加而增加,但与结合面的波长没有关系;非线性刚度会导致结合面固有频率的下降和振动位移的不对称.     

分形粗糙表面弹塑性接触力学模型

为了建立更为精准的粗糙表面接触模型,基于分形理论提出一种修正的弹塑性接触模型,该模型同时考虑了微凸体的弹性、弹塑性、完全塑性三种变形状态;建立了临界第一弹塑性接触面积、临界第二弹塑性接触面积与临界弹性接触面积之间的关系,分别推导出三种变形阶段的接触载荷与接触面积之间的关系式;结合海洋岛屿面积分布密度函数,获得了接触表面上总接触载荷与真实接触面积之间的表达式。计算结果表明:单个微凸体的临界弹性接触面积不但与材料属性和分形参数有关,也与微凸体的尺寸有关;分形参数一定时,随着接触载荷的增大,真实接触面积也在增大,弹性接触面积与真实接触面积的比值逐渐减小。该模型的建立为进一步研究粗糙表面的摩擦、磨损、润滑提供了理论依据。     

Mechanical energy transductions in standing wave ultrasonic motors: Analytical modelling and experimental investigations

The present work deals with experimental and theoretical analyses of mechanical energy transductions in standing wave ultrasonic motors. A piezoelectric translator prototype previously developed is tested with regard to both out-of-plane and tangential mechanical behaviours. Influences of the vibration amplitude, the normal pre-load and the dynamic friction coefficient at the stator/frame interface are pointed out through the acquisition of speed-driving force characteristics. In the main part of the article, theoretical approaches assuming the decoupling of the out-of-plane and tangential behaviours are proposed: the `complete' model takes into account transient phenomena and tangential inertia effects, and the `simplified' model supposes that the steady state is achieved. In both models, equivalent mass-spring systems allow the intermittent stator/frame contact to be characterized with regard to the vibration amplitude and the normal pre-load. Successive contact and flight periods are clearly shown. During contact periods, the sequences of stick-slip phases are at the origin of the driving mechanism. They are theoretically discriminated through the study of their behaviour equations. Finally, experimental and theoretical data fitting proves the validation of analytical analyses and allows the future optimization of standing wave ultrasonic motors to be envisaged.     

Elastic-plastic contact model for rough surfaces based on plastic asperity concept

A mathematical formulation for the contact of rough surfaces is presented. The derivation of the contact model is facilitated through the definition of plastic asperities that are assumed to be embedded at a critical depth within the actual surface asperities. The surface asperities are assumed to deform elastically whereas the plastic asperities experience only plastic deformation. The deformation of plastic asperities is made to obey the law of conservation of volume. It is believed that the proposed model is advantageous since (a) it provides a more accurate account of elastic-plastic behavior of surfaces in contact and (b) it is applicable to model formulations that involve asperity shoulder-to-shoulder contact. Comparison of numerical results for estimating true contact area and contact force using the proposed model and the earlier methods suggest that the proposed approach provides a more realistic prediction of elastic-plastic contact behavior.     

连接结构接触界面非线性力学建模研究

连接界面上存在的跨尺度、多物理场和非线性行为是引起结构复杂非线性动力学的主要原因。由于连接界面力学行为的复杂性,以及对连接界面进行直接试验观测的困难,连接界面的力学建模一直是非常具有挑战性的科学问题。本文首先从分析结合面的跨尺度物理机理入手,将名义的光滑平面视作凹凸不平的粗糙面,考虑单个微凸体的黏滑摩擦行为,建立接触载荷与变形的非线性关系,然后采用GW(Greenwood和Williamson, GW)模型数理统计方法建立整个粗糙界面的跨尺度力学模型,并与公开文献中试验结果进行对比。然后考虑连接界面典型非线性特征,提出一种改进的Iwan唯象模型,利用精细有限元方法获得非线性特征结果,采用系统辨识理论建立连接结构的降阶力学模型,并利用有限元结果进行模型验证。结果表明,本文提出的粗糙界面跨尺度模型在法向载荷较小时与试验结果吻合较好,改进的Iwan模型能够较好描述连接界面非线性特征,并与有限元结果吻合较好。      

单峰接触研究及其在分形表面接触中的应用

基于有限元方法,建立了弹塑性单峰的接触模型.粗糙峰为理想的弹塑性材料,为了考虑不同的材料特性对微凸体变形的影响,分别对9种不同的材料进行了分析.根据有限元计算结果,分析了接触面积,平均接触压力和接触力与变形干涉量之间的关系,并进行了经验公式的拟合.单峰接触所经历的4个不同的阶段,以及不同阶段之间的转化点均作了明确的表达.然后,根据分形理论,将单峰接触模型扩展到了三维的粗糙表面的接触,并提出了一个计算接触表面法向刚度的模型.通过与实验数据和以往模型的结果对比,证明本文中所提出的模型具有较高的精度.     

A hysteretic model of localized frictional contacts with instrumental stiffness

The steady-state dynamic response of a single-degree-of-freedom system comprising both a hysteretic element and a spring is considered. The Hertz–Cattaneo–Mindlin theoretical framework for modeling of local tangential contact with friction is applied in conjunction with the Masing model of hysteresis to describe the hysteretic behavior of the multiple localized frictional contact interface. The steady-state tangential displacement amplitude of a rigid body under harmonic tangential force excitation is approximately determined by means of the equivalent linearization technique, based on the harmonic balance principle. A special attention is paid to the evaluation of the frictional damping and the determination of the backbone curve of the Masing model from the dissipation-amplitude relation.