钢丝绳捻制成形的空间几何模型与有限元分析

根据钢丝绳捻制成形原理，在考虑钢丝绳空间几何形状的基础上，建立了引入自扭转系数时钢丝绳的几何结构计算模型和钢丝绳捻制成形有限元计算边界条件模型。进而编制了相应的有限元建模程序，生成可被ANSYS直接调用的数据文件。分析了钢丝绳一次捻制和二次捻制的加工应力应变变化情况，并讨论了自扭转系数对加工应力应变的影响。     

岩石试件端面摩擦效应数值模拟研究

试件端面摩擦效应直接影响试件内的塑性等效应变、侧向位移的分布和单元应力应变曲线。本文运用ANSYS中的接触单元模拟了平面应变状态下端面摩擦效应对塑性等效应变、侧向位移和单元应力应变曲线的影响,得到了不同摩擦系数时塑性等效应变及侧向位移的渐进变化形式。当接触面摩擦较小时,塑性等效应变图案为上下两个X形网络,侧向位移上下分布均匀;当接触面摩擦增大时,塑性等效应变网络向中部靠拢并且明显增大,侧向位移上下分布不均匀,中部较上下端面位移大;当试件端面侧向位移被限制,即摩擦力很大时,塑性等效应变网络变为一个X形局部化带,侧向位移分布更加不均匀,中部明显隆起。     

含微裂纹弹性体的应力应变关系

本义建立了考虑裂纹闭合和裂纹表面摩擦影响的含微裂纹弹性体的应力应变关系，给出了柔度张量增量的显式表达式。对于二维平面应力和平面应变状态，给出了等效工程弹性系数。数值计算结果表明，裂纹闭合和裂纹面摩擦对裂纹体的应力应变关系和等效工程弹性系数有重要影响。     

含微裂纹弹性体的应力应变关系

本义建立了考虑裂纹闭合和裂纹表面摩擦影响的含微裂纹弹性体的应力应变关系，给出了柔度张量增量的显式表达式。对于二维平面应力和平面应变状态，给出了等效工程弹性系数。数值计算结果表明，裂纹闭合和裂纹面摩擦对裂纹体的应力应变关系和等效工程弹性系数有重要影响。     

压-剪混合型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

假定黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比,考虑其黏性和裂纹面摩擦接触效应 建立了压-剪混合型定常扩展裂纹尖端弹黏塑性场的渐近方程,求得了裂纹尖端场不含应力、应变间 断的数值解. 并讨论了压-剪混合型裂纹数值解随各个参数的变化规律,计算结果 和分析表明,压-剪混合型裂纹尖端场是满塑性的,不含有弹性卸载区,黏性效应是研究扩展裂纹尖端场时的一个重要因素. 无论混合裂纹趋近I型还是趋近II型,静水压力随摩擦系数的增加都是增加的,裂纹面摩擦 效应是阻止裂纹扩展速度的因素,且摩擦作用越强,裂纹尖端场的韧性越高.     

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用,使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂. 利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律. 此外,进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响. 结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大;下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大;分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.      

微凸体碰撞对接触应力应变的影响

基于有限元法建立了单对半球状微凸体的接触、碰撞模型,研究了碰撞对微凸体在完全弹性、弹塑性和完全塑性三种接触状态下的Mises应力分布和等效塑性应变(PEEQ)的影响.结果表明:接触变形状态不同时,微凸体的Mises应力分布在碰撞过程具有不同的变化过程,但碰撞结束后,Mises应力值都降低,仅在完全塑性接触时,个别节点的Mises应力峰值大于屈服极限.碰撞使微凸体的等效塑性应变迅速增加到峰值,并保持到碰撞结束,与接触变形状态无关.完全弹性、弹塑性接触状态和完全塑性接触状态下,微凸体等效塑性应变的峰值分别位于接触中心区域和应变峰值环,这意味着裂纹可能产生的部位也不同.     

缠绕提升钢丝绳绕入冲击摩擦特性研究

为掌握多层缠绕提升钢丝绳层与层之间滑动摩擦磨损特性,在自制缠绕式矿井提升机钢丝绳层间摩擦试验台上,以6×19热镀锌钢丝绳为研究对象,对不同载荷、滑移速度、冲击速度下钢丝绳滑动摩擦磨损规律及接触区域温升变化规律进行试验探究.研究结果表明:摩擦系数变化分为快速增长阶段、过渡阶段、稳定阶段;摩擦系数随载荷增加小幅减小,随滑移速度增大总体呈降低趋势;缠绕钢丝绳滑动摩擦温升集中于接触区域,最大温升受滑移速度影响明显,随速度增加而增大;冲击摩擦系数明显低于稳定滑动摩擦系数,最大冲击摩擦系数随冲击速度、滑移速度增大而增大,随着冲击载荷增大出现多次冲击摩擦.     

基于分子动力学-格林函数法的分形粗糙表面摩擦行为研究

任何物体间的表面摩擦均可看成是粗糙面间的摩擦,且大部分粗糙表面具有分形特征.为探究分形粗糙表面的摩擦行为,利用分子动力学-格林函数法(GFMD)建立微观分形粗糙表面模型,采用位移加载控制分形粗糙表面的接触和摩擦过程,并根据广度优先搜索算法识别接触团簇分布.之后分别计算原子尺度、接触团簇尺度和界面尺度下的最大摩擦系数与摩擦力,并利用影响矩阵法研究摩擦过程中接触团簇之间的相互作用,分析接触团簇之间的距离和面积对相互作用的影响.结果表明:在摩擦过程中,摩擦系数从小尺度到大尺度逐渐减小;摩擦力随位移呈现周期性波动,接触团簇并非同时达到最大摩擦力,而是发生局部滑移,整体滑移模型预测的摩擦力是分子模拟结果的上限值;所提出的影响矩阵法可以较好地模拟接触团簇之间的相互作用,利用影响矩阵计算得到的最大摩擦力与GFMD模型结果基本一致,而不考虑局部滑移影响计算得到的最大摩擦力比GFMD模型结果大20%,并且接触团簇之间的相互作用与距离成反比,与面积成正比.结果可为粗糙表面的界面分析和优化提供理论依据.     

PDMS材料特性和滑动速度对黏着态下摩擦峰的影响

黏弹性体接触界面由湿变干过程中,出现的摩擦系数高于干摩擦系数的状态,称为黏着态.最大摩擦系数为摩擦峰,摩擦峰相对于干摩擦系数的增长称为摩擦峰相对增长百分比(μ%).本文中利用原位观测摩擦试验台研究了氮化硅小球与PDMS (Polydimethylsiloxane)接触界面在润湿转变过程中摩擦学行为,并分析了弹性模量及滑动速度对μ%的影响.结果表明：对于较软的PDMS,摩擦峰的削减甚至消失伴随有接触界面分离波的出现,黏弹性体的材料特性将影响甚至决定摩擦峰的出现;当PDMS较硬时,接触界面间残余水膜对黏着态摩擦峰的影响起主导作用.μ%与弹性模量的1.45次方成正比.随着滑动速度的增加,μ%逐渐降低.研究结果对于利用弹性模量以及滑动速度实现对黏弹性体摩擦峰的调控提供了理论指导.     

A set-valued force law for spatial Coulomb–Contensou friction

The aim of this paper is to develop a set-valued contact law for combined spatial Coulomb–Contensou friction, taking into account a normal friction torque (drilling friction) and spin. The set-valued Coulomb–Contensou friction law is derived from a non-smooth velocity pseudo potential. A higher-order Runge–Kutta time-stepping method is presented for the numerical simulation of rigid bodies with Coulomb–Contensou friction. The algebraic inclusion describing the contact problem is solved with an Augmented Lagrangian approach. The theory and numerical methods are applied to the Tippe-Top. The analysis and numerical results on the Tippe-Top illustrate the importance of Coulomb–Contensou friction for the dynamics of systems with friction.     

Thermo-mechanical contact behavior of a finite graded layer under a sliding punch with heat generation

The problem of a rigid punch contacting with a finite graded layer on a rigid substrate is investigated within the framework of steady-state plane strain thermoelasticity, in which heat generated by contact friction is considered with a constant friction coefficient and inertia effects are neglected. The material properties of the graded layer vary according to an exponential function in the thickness direction. Fourier integral transform method and transform matrix approach are employed to reduce the current thermocontact problem to the second kind of Cauchy-type singular integral equation. Distributions of the contact pressure and the in-plane stress under the prescribed thermoelastic environment with different parameter combinations, including ratio of shear moduli, relative sliding speed, friction coefficient and thermal parameters are obtained and analyzed, as well as the stress singularity and the stress intensity factors near the contact edges. The results should be helpful for the design of surfaces with strong wear resistance and novel graded materials for real applications.     

渤、黄海的底摩擦系数

利用伴随法，根据32个验潮站的水位观测资料来优化渤、黄海的底摩擦系数．所作的一系列数值模拟实验表明；利用伴随方法优化渤、黄海的底摩擦系数能够有效地减少数值模拟结果与观测结果的差异．     

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距. 为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗. 基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型. 为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度. 进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异. 最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化. 拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.      

基于应变计观测数据的混凝土温度应力解析

混凝土温度应力测定一直是人们致力解决的科学难题.本文根据振弦式混凝土应变计的工作原理,提出了基于混凝土应变计观测数据的温度应力计算公式,并采用电热带给试件直接施加温度作用的方法,模拟弹性约束条件进行了温度应力试验测定,确定了计算公式中温度应力修正系数与温度变化的关系.研究结果表明,振弦式混凝土应变计可以用来测定均匀温度作用产生的温度应力,根据本文提出的计算公式得到的温度应力计算值与实测值吻合良好.     

An implicit method for frictional contact, impact and rolling

In this paper an implicit method for frictional contact, impact and rolling is suggested. A nonclassical formulation of a two-dimensional hyperelastic body unilaterally constrained to rigid supports is proposed by following the ideas of Moreau and Jean. A total Lagrangian formulation of the system is given. The elastic properties are defined by coupling the second Piola–Kirchhoff stress to the Green–Lagrange strain via the Kirchhoff–St. Venant law. The equation of motion is written in the spirit of Moreau by using the mean value impulses introduced by Jean. The mean value impulses appear explicitly in the equation of motion. In such manner the treatment of nonconstant kinematic transformation matrices becomes straightforward. The rigid supports are described by smooth functions. By utilizing these functions and the mean value impulses, new contact/impact laws of Signorini and Coulomb type are formulated. The governing equations are solved by a nonsmooth Newton method. This is performed by following the augmented Lagrangian approach and deriving the consistent stiffness matrix as well as the contact stiffness matrices. Three two-dimensional examples are solved by the method: a contact problem, an impact problem and a rolling contact problem.     

Contact force and mechanical loss of multistage cable under tension and bending

A theoretical model for calculating the stress and strain states of cabling structures with different loadings has been developed in this paper. We solve the problem for the first-and second-stage cable with tensile or bending strain. The contact and friction forces between the strands are presented by two-dimensional contact model. Several theo-retical models have been proposed to verify the results when the triplet subjected to the tensile strain, including contact force, contact stresses, and mechanical loss. It is found that loadings will affect the friction force and the mechanical loss of the triplet. The results show that the contact force and mechanical loss are dependent on the twist pitch. A shorter twist pitch can lead to higher contact force, while the trend of mechanical loss with twist pitch is compli-cated. The mechanical loss may be reduced by adjusting the twist pitch reasonably. The present model provides a simple analysis method to investigate the mechanical behaviors in multistage-structures under different loads.     

接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究

以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝微动磨损的实验研究,考察在不同接触载荷下钢丝的微动磨损行为,采用S-3000N型扫描电镜观察钢丝的磨损形貌并分析其微动损伤机理.结果表明:在接触载荷为9～29 N范围内,微动摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线随循环周次的变化表明钢丝运行于混合区,并随着接触载荷的增加,钢丝间接触应力增加;在微动磨损初期钢丝间的摩擦系数均较低,之后逐渐增加并趋于稳定;其稳定摩擦系数随着钢丝间接触载荷的增加而降低,接触载荷为9 N时的摩擦系数最大,约为1.25,而29 N的摩擦系数约为0.57;钢丝间的接触载荷增加,钢丝表面接触疲劳的几率增大,出现磨屑疲劳脱落的痕迹和疲劳微裂纹,其损伤机制主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦氧化.     

黏弹性接触界面端附近的奇异应力场

研究蠕变加载条件下线黏弹性材料接触界面端附近的奇异应力场问题.考虑接触界面的摩擦,假设界面端的滑移方向不改变,相对滑移量微小,且其与位移同量级,由此线性化局部边界条件,根据对应原理得到Laplace变换域中的界面端应力场,导出时域中奇异应力场的卷积积分表达式.对卷积积分核函数进行数值反演,考虑接触材料的两类组合,一是持久模量具有量级上的差异,另一是持久模量接近相同.算例结果证实核函数可以用准弹性法求得的解析式较准确地近似.在此基础上,利用积分中值定理,并引入各应力分量的修正系数,得到黏弹性奇异应力场的简化式.结合核函数的数值反演结果分析修正系数表达式的取值范围,得到如下结论,若两相接触材料的持久模量相差很大,可以采用准弹性解的解析式较准确地描述界面端的奇异应力场;一般情况下,应力场不存在统一的奇异值和应力强度系数,当采用类似于准弹性解的表达式近似给出黏弹性应力场时,可以估计此近似描述的误差限.文中最后采用有限元分析黏弹性板端部嵌入部位的应力场,算例包括了黏弹性板与弹性金属支承、黏弹性板与黏弹性垫层所形成的滑移接触界面端,利用黏弹性有限元的数值结果验证理论分析所得结论的有效性.