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.     

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.      

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.     

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.      

基于基底长度的粗糙表面分形接触模型的构建与分析

为建立更为精确的粗糙表面接触模型,根据微凸体变形特征、分形理论以及摩擦的作用,从微观角度基于基底长度建立了粗糙表面分形接触模型.通过与其他粗糙表面接触模型和实验数据的比较,验证了本文模型的正确与合理,并由数值仿真分析了分形维数、接触载荷与真实接触面积之间的相互关系.分析结果表明:特征尺度一定时,要维持一定的真实接触面积,分形维数越大,所需要的力也越大;分形维数与特征尺度一定时,随着载荷的增加,接触面积也在增加;特征尺度与接触力一定时,随着分形维数的增大,真实接触面积在减小.该模型的建立为进一步研究粗糙表面的摩擦、磨损与润滑提供了理论依据.     

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.     

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.      

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二维联合分布密度函数,进而依据三维各向异性分形几何理论建立了包含微凸体完全弹性、弹塑性以及完全塑性三种变形机制的结合面法向接触刚度分形模型.所建模型理论刚度与实验数据的对比结果,表明了模型的正确性及有效性,能较好的预测在轻载状态下的固定结合面法向接触刚度.     

粗糙表面的弹塑性接触研究

建立了综合载荷作用下粗糙表面弹塑性接触的确定性模型,考虑了微凸峰接触的弹塑性变形阶段,数值求解得到实际接触面积、压力分布和微凸峰塑性形变.分析了实际接触面积与法向载荷的关系,并研究了点接触的椭圆参数对上述关系的影响.建立了结点增长模型,分析了结点增长与滑动摩擦系数的关系以及滑动摩擦系数随椭圆参数的变化.结果表明:随着法向载荷增大,实际接触面积与法向载荷之间的非线性关系愈加显著;椭圆参数越大,实际接触面积越小,选择较小的椭圆参数可降低平均接触压力;结点增长的速率随滑动摩擦系数增大而增大;表面剪切作用力使最大Mises应力值升高,疲劳裂纹的发生源向表面靠近;重载时选择较小的滚动轴承沟曲率半径系数有利于减小摩擦功耗.     

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.     

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...     

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.     

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.     

两圆柱体结合面的接触热导分形模型研究

基于三维分形理论,在考虑微凸体的弹性变形、弹塑性变形和塑性变形的基础上,建立了两圆柱体结合面接触热导分形模型。通过数值仿真,分析了分形维数,分形尺度参数、圆柱体曲率半径和接触类型对接触热导的影响。研究结果表明：接触热导随着分形维数的增大而增大,随着分形尺度参数的增大而减小;相同参数下,内接触比外接触的接触热导要大;此外,当固定其中一个圆柱体的曲率半径时,随着另一个圆柱体曲率半径的增大,接触热导增大。该模型为开展齿轮等曲面接触热导的研究提供了理论基础。     

谐波减速器黏着磨损失效加速寿命模型研究

针对空间润滑谐波减速器黏着磨损失效的加速寿命试验方法问题,首先基于Johnson-Williamson的粗糙表面接触模型建立了混合润滑状态下的黏着磨损模型,模型表明磨损速率主要由粗糙表面微凸体接触承担的载荷比例决定.然后,对磨损部位进行考虑粗糙表面真实形貌与润滑剂流变特性的混合润滑数值分析表明,转速与载荷对微观界面接触与润滑分布状态的影响显著,温度的影响有限,因此传统提高转速并升高温度以保持油膜厚度一致的加速寿命试验方法已不适用.最后以增大转速、载荷并保持或增大混合润滑状态下微凸体接触承担的载荷为加速寿命试验准则,以微凸体承担载荷为加速应力建立了黏着磨损的加速寿命模型,并以不同工况的加速寿命试验与寿命分布统计对其准确性进行了验证.     

考虑弹塑性变形阶段的干气密封接触模型

为探究干气密封摩擦界面在变形全阶段的接触特性,基于分形接触理论及微观接触力学理论,充分考虑微凸体变形的3个阶段,通过余弦函数构建干气密封全阶段接触模型,并分别与GW模型、KE模型和ZMC模型三种经典接触模型及相关文献的试验数据作对比,验证本文中接触模型的合理性与正确性.最后对干气密封摩擦界面接触特性的主要影响因素进行探究.模型研究结果表明：干气密封摩擦界面的接触特性与分形维数、特征尺度及两表面的真实接触面积有关.接触特性与分形维数和两表面真实接触面积呈正相关,与特征尺度呈负相关.分形维数越大,接触载荷与接触刚度的数量级就越大,且接触载荷变化范围相对较大.当特征尺度每次以1个数量级递增时,接触载荷与接触刚度的变化范围较小,都在1个数量级内.     

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,获得了微凸体在三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,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。      

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.     

考虑弹塑性变形的结合面接触热导建模

基于三维分形理论,综合考虑弹性变形和塑性变形、弹塑性变形的两个不同阶段,建立了结合面接触热导模型。通过数值仿真,揭示了接触热导与实际接触面积的非线性关系,以及弹塑性变形对结合面接触热导的影响。研究结果表明:弹塑性变形对结合面接触热导具有重要影响,考虑弹塑性变形的接触热导大于仅考虑弹性变形和塑性变形的接触热导;接触热导随着分形尺度参数的增大而减小,随着分形维数的增大而增大。