微观随机粗糙表面接触有限元模型的构建与接触分析

基于相关文献提出粗糙表面模拟方法,通过软件工具在ANSYS中建立微观粗糙表面接触有限元模型,利用该模型分析载荷对弹塑性变形和接触面积的影响。结果表明:随着正压力的增大,粗糙表面上不断地有微凸峰与平面发生弹性接触变形,接触斑点(或接触斑点群)的数目逐渐增加,斑点中心区域的弹性变形很快达到最大,微凸峰负荷变形的同时也使斑点四周区域受到挤压;初始接触时,轮廓高度较大的微凸峰率先发生弹性变形,随着压力的增大,金属材料所受应力达到屈服极限同时粗糙表面的弹性变形和塑性变形的集中区域不断增加,真实接触面积不断增大;接触区数目的增多和接触区面积的增加都可以导致接触面上真实接触面积增加;随着压力的增大,真实接触面积的增大并不是由于接触区数目的增多,而是微观接触区面积的增大。     

具有微织构形貌的结合面法向接触刚度分形模型的研究

研究微织构结合面上的表面形貌参数对结合面法向接触刚度的影响。根据微织构表面的形貌特征,将微织构表面分为织构前表面和织构区域两部分,由分形接触理论计算出织构前表面上微凸体的基本参数,忽略织构区域底部未接触部分,将微凸体在接触载荷作用下的变形分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。由接触力学理论,首先建立织构前表面上单个微凸体的法向接触刚度模型。然后由微观到宏观,结合微织构表面的织构形貌特征,构造整个宏观微织构结合面的法向接触刚度计算模型,研究不同的表面形貌参数对于微织构界面上法向接触载荷、微凸体因载荷产生的变形以及法向接触刚度的影响。经过仿真分析之后,结果表明,当微织构结合面的法向接触载荷不断增大时,结合面的法向接触刚度总体呈单调上升趋势;并且随着织构密度的增加,结合面上由于织构形貌的存在,使得一部分微凸体未产生变形,从而减小结合面的法向接触刚度,并且当法向载荷增加时,这种效果会更加明显;在相同的接触载荷下,塑性指数越高,处于塑性变形状态的微凸体就越多,从而使具有微织构形貌的结合面的法向接触刚度变大。     

基于分形理论的滑动摩擦表面接触力学模型

依据分形理论,考虑微凸体变形特征及摩擦作用的影响建立滑动摩擦表面接触力学模型。采用一个三次多项式来表达弹塑性变形微凸体的接触压力与接触面积的关系,从而满足在变形状态转变临界点处的微凸体接触面积与接触压力转化皆是连续和光滑的条件。推导出滑动摩擦表面临界弹性变形微接触面积、临界塑性变形微接触面积、量纲一真实接触面积的数学表达式。理论计算结果表明,表面形貌一定时,真实接触面积随着载荷的增大而增大;载荷一定时,真实接触面积随着特征尺度系数的增大而减小,随着分形维数的增大先增大后减小;当表面较粗糙时,摩擦因数对真实接触面积的影响很小;随着表面光滑程度的增大,摩擦因数对真实接触面积的影响增大,真实接触面积随着摩擦因数的增大而增大,特别是当摩擦因数较大时,真实接触面积增大的幅度也较大。接触力学模型的建立,为研究滑动摩擦表面间的摩擦磨损性能提供了依据。     

尺度相关的分形结合面法向接触刚度模型

基于分形理论,利用双变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟三维分形结合面,建立尺度相关的三维分形结合面法向接触刚度模型。推导出各等级微凸体发生弹性、弹塑性以及完全塑性变形的存在条件。确定结合面上各等级微凸体的面积分布密度函数,推导出法向接触刚度和法向接触载荷的解析表达式。计算结果表明：当结合面上的微凸体只能发生弹性变形,即自身等级小于弹性临界等级的微凸体,该部分微凸体引起的法向接触刚度和对应法向载荷关系呈非线性。当微凸体的等级大于弹性临界等级,在结合面接触过程中,微凸体弹性变形引起的法向接触刚度与对应的法向载荷关系为线性,非弹性变形引起的法向接触刚度与法向载荷关系为非线性。微凸体的等级范围对结合面的刚度影响较大,在相同的法向载荷作用下,高等级微凸体的结合面产生较高的法向接触刚度,即结合面越平整,结合面的法向刚度越高。     

基于域扩展因子和微凸体相互作用的结合面接触刚度模型研究

结合面接触刚度直接影响了机械设备的整机动态特性,为了建立更为准确的接触刚度模型,以分形几何理论为基础,利用单一微凸体承受局部载荷时的弹性变形特性,并基于域扩展因子引入微接触截面积分布函数,推导了考虑表面微凸体相互作用影响的结合面接触刚度分形模型。为了验证所提出模型的准确性,通过三维非接触式测量,获得了试验试样的表面轮廓数据,并根据结构函数法,计算了各个试样的表面分形参数,进而将理论接触刚度与试验结果对比分析,结果表明：法向接触刚度的增长速率与粗糙面表面临界接触面积有关,临界接触面积决定了结合面内的弹性变形占比。考虑微凸体相互作用后,所提出模型的预测曲线更加符合试验中法向载荷与接触刚度的关系。     

新的粗糙表面弹塑性接触模型

提出一种新型的粗糙表面弹塑性微观接触模型.该模型的建立基于接触力学理论和接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设.研究单个微凸体在载荷逐渐增加时的变形规律,并重点推出弹塑性变形区间的接触方程.在此基础上应用概率统计理论导出了粗糙表面的接触载荷、平均分离和实际接触面积之间的数学关系式.在不同的塑性指数和载荷条件下,该模型与GW弹性模型和CEB弹塑性模型就实际接触面积和法向距离的预测结果进行了对比.结果表明,在同样塑性指数和载荷条件下比GW模型预测的实际接触面积大但法向距离小,且两者的差距随塑性指数和载荷的增加而增大.因此该模型的预测结果更加符合人们的试验观察和直觉,能够更加科学和合理地描述两个粗糙表面的微观和宏观接触状态.     

基于分形几何与接触力学理论的结合面法向接触刚度计算模型

基于分形几何理论和接触力学理论,用分形理论表征粗糙表面微凸体参数,考虑微凸体由弹性变形向弹塑性变形以至最终向完全塑性变形转化的过程,建立各变形阶段微凸体的接触刚度模型。在此基础上,提出机械结合面法向接触刚度计算模型,该模型揭示了在不同的塑性指数下,结合面法向接触载荷与法向接触刚度之间的关系。结果表明,在塑性指数较小时,微凸体的变形以弹性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为近似线性关系;随着塑性指数的增加,微凸体变形主要以塑性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为较强非线性关系。对已有的铣削加工和磨削加工情况下的结合面法向接触刚度试验结果,利用该模型进行数值计算、仿真和分析。结果表明:提出的模型更与试验曲线吻合。     

依据各向异性分形几何理论的固定结合部法向接触力学模型

基于各向异性分形几何理论,考虑微凸体变形特点、表面微凸体承受法向载荷的连续性和光滑性原理,以及区分微凸体分别处于弹性、塑性变形时的一个微凸体实际微接触面积,建立固定结合部法向接触力学模型。采用二变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟各向异性三维分形轮廓表面。推导出划分弹塑性区域的临界弹性变形微接触截面积、结合部量纲一法向载荷、结合部量纲一法向接触刚度的数学表达式。数值仿真结果表明：当表面形貌的分形维数、分形粗糙度一定时,真实接触面积随着结合部法向载荷的增大而增大;结合部法向接触刚度随着真实接触面积、结合部法向载荷、相关因子或材料特性参数的增大而变大;当分形维数由1变大时,结合部法向接触刚度随着分形维数的变大而增大;当分形维数增加到趋近于2时,结合部法向接触刚度有时却会随着分形维数的增加而降低。结合部法向接触力学模型的构建,有助于分析固定接触表面间的真实接触情况。     

考虑微凸体相互作用的机械结合面接触刚度模型

为准确预测两粗糙表面的接触刚度,围绕考虑微凸体间发生相互作用时的法向结合面接触问题展开研究。基于圣维南原理和勒夫方程,建立微凸体相互作用所引起的局部变形量与局部接触载荷、两表面间压强、材料属性参数之间的函数关系;将其代入KE弹塑性接触模型中,建立考虑微凸体相互作用的KE接触刚度模型,并提出数值迭代方法进行求解;之后,分析在不同塑性指数下微凸体相互作用对接触载荷、面积、刚度间关系产生的影响规律,并给出考虑微凸体相互作用的KE及ZMC模型接触刚度对比。研究表明:微凸体相互作用对于两表面间平均距离与接触载荷的关系有着明显的影响,这使得真实接触面积与接触刚度与原未考虑微凸体相互作用的KE模型有明显差异,且随着塑性指数的增大,差异随之变小。最后,通过试验对考虑与未考虑微凸体相互作用的KE及ZMC模型接触刚度计算结果进行验证,试验对比分析表明:建立的考虑微凸体相互作用的KE接触刚度模型更加贴近试验结果。     

粗糙表面微凸体对液黏传动的影响

为研究液黏传动过程中粗糙表面的承载特性,将分形理论引入到两粗糙表面摩擦过程之中,分析传动过程中混合摩擦和边界摩擦两阶段的微凸体承载过程,考虑微凸体弹塑性变形,对M-B模型进行修正,建立修正的微凸体承载模型。建立基于修正M-B模型的微凸体承载模型。通过数值仿真得到有效面积系数、分形参数对液黏调速离合器传动过程的影响规律;对修正的微凸体承载模型的计算结果与M-B模型的计算结果进行对比分析。结果表明:微凸体接触载荷和传递转矩随着面积比的增大而增大,当有效面积系数与尺度系数增大时,接触载荷与传递转矩均有所增大;分形维数为1.5时,微凸体接触载荷与传递转矩最小且随面积比的变化最为缓慢;在整个接触区域内,弹性变形区域的面积、接触载荷以及传递转矩最大,其次是弹塑性变形区域,塑性变形区域最小;考虑弹塑性变形时,微凸体接触载荷与传递转矩均有所下降;修正M-B模型和M-B模型间的修正系数范围在25%以内,修正系数随着有效面积系数、尺度系数的增大而增大,随着分形维数的增大而减小。     

Analysis of elliptical Hertzian contacts

The paper compares three approximate methods of finding the area of contact, the contact pressure and the deformation in elliptical Hertzian contacts.     

粗糙平面接触刚度的研究

从材料表面微观特征的分析着手，采用弹性接触理论和概率分析方法，对两个粗糙平面间的接触刚度问题进行了研究，提出了一种表面接触刚度的理论计算方法，给出了相应算例，计算结果表明，本文提出的方法是有效的。     

表面接触角测量装置的设计

介绍了一种用于测量表面接触角的简易装置,目的是为材料表面的润湿性实验研究过程提供一种简易专用装置和方法,替代昂贵的专用测量仪器,用于快速评估被测样品表面的接触角。装置由样品台、光学系统、三维平移台、移液器和计算机组成,对被测样品表面具有一定体积的液滴通过光学系统成像,并将CCD相机与计算机相结合,对液滴形态图像进行存储和分析,从而得到被测样品的表面接触角。对装置的结构、功能和使用方法进行了介绍。     

考虑边缘接触的弧齿锥齿轮承载接触分析

承载接触分析(LTCA)对于检查弧齿锥齿轮在工作条件下的啮合性能,并设计高性能的传动具有十分重要的意义。在载荷较大且误差存在的实际工况条件下,弧齿锥齿轮的边缘接触往往是难以完全避免的。提出了边缘接触的几何分析方法,准确确定了边缘接触点;又通过齿面搜索确定了两齿面间的相对主曲率方向,即载荷下的可能接触方向和可能接触点;最后采用数学规划方法成功求解了边缘接触,为弧齿锥齿轮的承载啮合全过程的数值仿真提供了方法。     

末级圆弧枞树型叶根与轮缘三维接触强度研究

基于虚功原理推导出三维接触面单元，并引进了预留单元，应用网格自动划分和单元生成技术，采用位移和应力交替控制的增量法，对汽轮机转子叶根与轮缘的接触强度进行了详尽的分析。     

一种多功能摩擦实验台的设计及实验

介绍了一种多功能摩擦实验台的原理、性能和实验结果。该实验台通过显微镜和CCD图像传感器可以放大拍摄两接触面间的接触情况,同时可通过力传感器测量摩擦力,解决了研究面面接触时,难以观察表面接触情况的问题。实验结果表明,所研制的实验台具有较好的实用性和可靠性,满足面面接触摩擦研究的需要。     

Microtribological problems of physics and mechanics in smooth surface contact

This paper reviews a group of problems studied by a new scientific branch in tribology, viz. nanotribology. New feasibilities of analysing adhesional interaction of contacting surfaces are underlined in view of ‘molecular roughness’ and experimental verification of the calculated relationships by tunnelling and atomic force microscopes.     

Modeling of thermoelastic frictional contact

A model of thermoelastic frictional interaction based on nonideal thermal contact under friction of a corrugated elastic solid on an absolutely flat rigid solid is developed. The proposed model may be used for the estimation of the capability and durability of tribological conjunctions of the type frictional polymer material-metal.     

<Emphasis Type="Italic">In situ</Emphasis> investigation of the contact area in elastic–plastic spherical contact during loading–unloading

The real contact area between a sphere and a flat during loading, unloading, and cyclic loading–unloading in the elastic–plastic regime of deformations was investigated experimentally. A direct optical technique was used to observe in situ the evolution of the contact area. The experimental results obtained with copper and stainless steel spheres of different diameters that were pressed against a sapphire flat were compared with existing theoretical models, and whenever possible, with previous experimental works. These models are based on the assumption of either perfect slip (i.e., frictionless) or full stick contact condition. Good agreement was found between the experimental and theoretical results for the contact area and mean contact pressure. The existing models for the unloading process fail to accurately predict the residual radius of curvature of fully unloaded spheres, and the irreversibility of multiple loading unloading cycles at least for the several initial cycles. Some recommendations to improve the models are provided.     

Contact mechanics of rough surfaces in tribology: multiple asperity contact

Contact modeling of two rough surfaces under normal approach and with relative motion is carried out to predict real area of contact and surface and subsurface stresses affecting friction and wear of an interface. When two macroscopically flat bodies with microroughness come in contact, the contact occurs at multiple asperities of arbitrary shapes, and varying sizes and heights. Deformation at the asperity contacts can be either elastic and/or elastic-plastic. If a thin liquid film is present at the interface, attractive meniscus forces may affect friction and wear. Historically, statistical models have been used to predict contact parameters, and these generally require many assumptions about asperity geometry and height distributions. With the advent of computer technology, numerical contact models of 3-D rough surfaces have been developed, particularly in the past decade, which can simulate digitized rough surfaces with no assumptions concerning the roughness distribution. In this article, a comprehensive review of modeling of multiple-asperity contacts in dry and wet conditions is presented. Contact models for homogeneous and layered, elastic and elastic-plastic solids with and without tangential loading are presented. The models reviewed in this paper fall into two groups: (a) analytical solutions for surfaces with well-defined height distributions and asperity geometry and (b) numerical solutions for real surfaces with asperities of arbitrary shape and varying size and height distributions. Implications of these models in friction and wear studies are discussed. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.