爬行器驱动轮与套管管壁斜压过程分析

轮式水平井爬行器驱动轮与套管管壁接触过程中会在管壁上留下塑性变形压痕,该压痕形貌对爬行器的运动性能影响较大,而轮齿与管壁材料的斜压接触过程非常复杂,目前还没有相应的理论模型来分析该过程。该文详细分析了正压力和转矩同时作用下,轮齿斜压管壁时不同载荷条件下压痕形成的规律,将载荷分为6个不同的作用区域。利用滑移线理论,分析计算了每个区域轮齿不同接触状态下的压力分布,建立了轮齿载荷与压痕形貌之间的力学计算模型。在此基础上,分析和计算了各作用区域间的临界载荷,并介绍了理论模型的正向和逆向应用方法。最后对4个稳定作用区域的理论模型从压深、滑移量、压痕形貌和接触面上压力分布等4个方面进行了仿真验证,并进行了压痕验证试验。仿真和试验结果均表明:对轮齿载荷作用的分区及所建立的理论计算模型是合理的。为今后爬行器载荷控制策略的优化以及驱动轮多齿牵引力的建模与优化奠定了基础。     

压痕对车轴钢疲劳极限的影响

利用硬度计在光滑沙漏状车轴钢疲劳试样上制造压痕,同时利用电火花在试样上加工缺陷,通过疲劳试验研究两种缺陷尺寸与试样疲劳极限之间的关系。将两类试样的测试结果和基于材料硬度、缺陷投影面积的Murakami模型计算结果进行对比。利用扫描电镜观察试样疲劳断口。结果表明,与计算结果相比较,压痕局部塑性变形导致的加工硬化和残余应力对试样的疲劳强度没有影响,裂纹依然从应力集中最大的压痕底部起裂。电火花缺陷表面粗糙度较大引起二次缺口效应,表面硬脆的重铸白层上还有微孔和微裂纹存在,导致此类试样疲劳强度低于模型计算结果,裂纹从电火花缺口底部多处萌生。     

打捆机驱动轮系统接触应力计算

为了探讨驱动轮系统各接触体的应力特征,应用弹性力学的公式和赫兹理论对多体接触问题的应力进行了研究,深入分析了接触应力的计算方法,推导出计算多弹性体接触时接触应力的实用计算公式,并结合驱动轮系统中驱动轮和捆线以及捆线和托辊接触的实际情况,考虑各接触体间相互作用的影响,分别计算出了其解析解。为零件的设计和机构改进以及分析此系统的磨损提供理论依据和参考数据。     

接触爆炸作用下板的塑性变形分析与实验

为了研究接触爆炸作用下板的塑性变形的塑性区范围和最大塑性变形量的计算,利用能量理论处理爆炸荷载作用下的板最大变形量的计算问题,利用固体介质应力波理论分析板塑性变形范围的计算问题.推导出接触爆炸作用下线性硬化材料板的最大变形量计算式和塑性变形范围的计算式.实验验证了接触爆炸作用下板的塑性变形范围和最大塑性变形量的计算公式的可靠性.实验结果和计算分析结果比较吻合.     

不可压缩弹性薄膜球形压痕问题的一种渐近解析解

针对刚性基底上不可压缩弹性薄膜的轴对称球形压痕问题,采用了一种基于Kerr模型的简单解析求解方法。在该方法中,薄膜上表面的接触压强与位移为线性微分关系。之后利用贝蒂互等定理,求解了该问题的高阶渐近解,推导了接触力、压痕深度和接触半径之间的显式关系。当忽略高阶项时,得出的高阶渐近解与现有研究中的低阶解相同。此外还建立了有限元模型来验证渐近解的精度。结果显示,与已有的低阶渐近解相比,高阶渐近解与现有的数值计算结果和有限元分析结果吻合得更好。     

考虑滚动轴承故障处塑性变形的有限元建模与动力学特性分析

针对传统动力学模型难以考虑滚动轴承故障处的塑性变形对轴承动力学特性的影响这一问题，提出了考虑滚动轴承故障处塑性变形的有限元模型并进行了动力学特性分析。首先，采用线弹性材料本构模型，在ANSYS LS-DYNA环境下建立了考虑滚动体和外圈滚道不产生塑性变形的弹/弹模型；其次，考虑滚动体过故障时产生塑性变形，采用塑性随动强化本构模型，建立了滚动体和外圈故障处都产生塑性变形的塑/塑模型；最后，考虑故障处最容易产生塑性变形，采用线弹性材料本构模型和塑性随动强化本构模型相结合，建立了滚动体产生弹性变形而故障处产生塑性变形的弹/塑模型。以上模型在轴承元件接触部位都对网格进行了均匀细化，在减少穿透量的同时提高了模型的计算精度。仿真结果表明，与以往不考虑故障处塑性变形的弹/弹模型相比，考虑故障处塑性变形的塑/塑模型和弹/塑模型的峰峰值、均方根值以及加速度信号幅值约减小了1/2,且与测试所得结果波形及幅值更具有一致性；与弹/塑模型相比，塑/塑模型滚动体与内外圈接触力大小、滚动体应变值无明显变化，得出滚动体几乎不产生塑性变形，因此在建模时可以建立仅考虑故障处产生塑性变形的弹/塑模型。     

考虑锻件塑性变形的锻造系统动力学建模

提出了一种改进的锻造系统动力学建模方法,采用能够考虑锻件塑性变形的弹塑性离散弹簧模型模拟锻砧和锻件之间的接触行为.结合有限元法和拉格朗日方程建立了锻造系统在锻压过程中的动力学控制方程.通过与商业软件LS-DYNA显式有限元模型的仿真结果以及其他的结果的比较,验证了所提出模型的有效性和优越性,研究表明接触边界条件对锻造系统的动力学响应影响明显,在精确的响应计算中锻件的塑性变形效应不可忽略.     

球型压头下块体金属玻璃“隆起”现象的数值模拟研究

金属玻璃材料在压痕实验中,材料在压头周围形成明显的“隆起”（pile—up）现象．Pile—up的产生给计算材料硬度、杨氏模量和应力．应变关系等力学性质带来较大偏差．利用有限元方法对金属玻璃材料进行球型压头压痕实验的数值模拟,提出了一种表征pile—up效应的新模型．使用该模型计算Zr41.2Ti13．8Cu12．5Ni10Be22.5金属玻璃材料不同压入深度pile-up下的接触半径和材料硬度,获得与数值模拟下真实值吻合较好的结果．     

颗粒阻尼线性离散元模型参数的选取方法

为了研究不同形式颗粒阻尼的减振特性及其在旋转条件下的阻尼效果,建立颗粒阻尼的线性离散元模型,提出了一种颗粒接触线性模型的参数选取方法。根据Hertz接触非线性模型,假设颗粒相对运动在达到屈服极限时,Hertz接触模型接触力所做的功和线性模型接触力所做的功相等,对颗粒接触的力和位移的关系进行了线性化处理;利用离散元法对重力场下不同材料的非阻塞性颗粒阻尼(NOPD)、柔性约束颗粒阻尼和旋转条件下的NOPD进行建模;根据颗粒材料的屈服强度、泊松比、弹性模量等物理属性确定了仿真计算的相关接触参数。与实验确定颗粒接触参数的方法相比,所提方法适用范围更广。数值计算结果与实验结果在趋势和数值上吻合得较好,为颗粒阻尼的进一步研究奠定了基础。     

塑性变形条件下的接触热导率测试

利用激光热导仪和自制的夹具,通过测试接触副的总热扩散率和求解一维瞬态热传导方程,得到接触热导率与总热扩散率的函数关系,实现了在塑性变形条件下的接触热导测量。当压力增加到铝试样屈服强度的5.89倍时,硬度较小的铝试件变形率达到50%,接触热导率达到7.2 W/(cm2.K)。实验结果表明,接触热导率与压力之间呈幂指数关系变化,在试件发生屈服变形后,随压力增大,接触热导率的变化趋于平缓。通过对实验数据进行回归分析,得到了在接触副材料发生塑性变形条件下的接触热导率模型。     

基于轴向热路模型的架空地线与预绞丝接触端面接触电阻的计算

作为衡量电接触性能的重要参数,接触电阻的大小直接关系到电气设备的运行状况。目前主要采用离线的实验测量手段对接触电阻进行测量,测量结果与实际运行状态存在一定的差异;文中提出了一种基于轴向热路模型的接触端面接触电阻的计算方法。首先,以架空地线与预绞丝接触端口为研究对象构建轴向热路模型,其中模型的热参数采用遗传算法获得;然后结合GJ-50架空地线的实例计算结果,讨论分析了模型热参数和接触电阻的变化规律。研究结果表明:利用文中所提出的方法,可以准确得到接触端面暂态温升过程中不同温度对应的交流接触电阻,并且稳态温度下接触电阻随着加载电流的增加而减小,但不受时间计算步长的影响;该计算方法的准确性很高,接触电阻的实验测量结果和计算结果最大误差不超过9%;接触电阻与温度的关系采用Paulke等提出的公式表示时计算结果更为准确。     

一种改进的粗糙表面法向弹塑性接触解析模型

针对现有各种粗糙表面接触模型存在的不足,提出一种改进的粗糙表面法向弹塑性接触解析模型,该模型同时考虑了微凸体完全弹性、弹塑性和完全塑性3种变形状态。对完全弹性和完全塑性变形阶段,采用经典弹性接触和塑性接触力学公式进行建模;对混合弹塑性变形阶段,提出一种利用低阶椭圆曲线插值进行解析建模的方法。进一步,利用概率统计分析方法建立了粗糙表面法向弹塑性接触模型。将该模型与公开文献中的其他模型进行了对比,结果表明:该模型能够描述出微凸体接触状态变量随法向接近量单调、连续和光滑的变化过程,并且能够对粗糙表面法向弹塑性接触行为进行建模;模型的预测结果和基于有限元结果的经验模型的预测结果接近。     

轮式管道机器人过弯动态特性分析

为了详细地了解管道机器人过弯时的动态特性,设计了一种全驱动轮式管道机器人。基于坐标转换法,分析了机器人过弯时质心与管道中线的相对距离Δx发生变化对机器人运动特性的影响;基于力学虚功原理,分析了机器人过弯时Δx发生变化对机器人受力情况的影响。通过Adams软件对机器人过弯过程中的运动状态和受力情况进行了仿真,经分析发现管道机器人在过弯过程中,Δx先快速增大后略低速减小,在运动特性方面,随着Δx增大,外驱动轮运动速度随之增大,内驱动轮运动速度则有所减小。当内驱动轮速度达到最低时,外驱动轮与内驱动轮的速度之比会发生小幅度波动;在受力情况方面,随着Δx增大,内、外驱动轮与管壁的接触力随之增加,此仿真模型中,在入弯阶段外驱动轮和内驱动轮与管壁接触力大小之比为1.4,出弯阶段此接触力之比约降为0.9。从平稳性角度来看,与入弯和出弯两个阶段相比,过渡阶段在运动和受力上均相对不稳定,故当机器人过弯时,将Δx的变化纳入运动分析方程有利于获得其更加精确的动态特性。     

金属履带拖拉机支重轮接触应力分析

针对金属履带拖拉机支重轮断裂、卷边时的接触应力进行分析计算。首先,对支重轮在工作过程中的静止、重心偏离、牵引力倾斜与重心偏离3种状态进行了受力分析,并使用接触理论进行接触应力的理论计算;然后,利用 ANSYS 软件建立支重轮结构的三维有限元模型,对3种工况下的接触应力进行有限元数值计算。计算结果表明：整机在牵引力倾斜及重心偏离工作状态下支重轮的接触应力为最大,尤其对于 C1302机型;最大接触应力在轮缘处。接触应力的理论计算与数值模拟分析结果非常接近,吻合较好,其误差不超过5％。     

材料残余应力对硬度测试影响程度的分析

测试了材料在残余应力下的硬度,分析了残余应力影响下的弹塑性本构关系,并进行了有限元计算,实验结果和计算结果吻合程度较高,说明有限元分析正确,在此基础上,定性定量地分析了残余应力对于硬度的影响,建立了硬度与残余应力之间关系的拟合函数公式。研究结果表明:残余拉应力对硬度影响明显,而残余压应力对硬度影响较小;载荷大小和残余拉、压应力程度影响压痕周围弹塑性变形从而产生隆起量或下沉量,引起压痕深度、接触面积的变化,影响硬度测量值。     

分形粗糙表面接触变形分段计算模型

针对现有分形理论描述粗糙表面接触变形过程存在的问题,以与波长对应的系数作为尺度划分依据,提出了一种考虑分形细节和微凸体接触变形过程的分段计算模型.通过数学推导和分析论述粗糙表面的接触变形过程,得出了与现有分形理论不同的结论,并论述了其不同的原因.基于此考虑了各尺度之间等效模型的连续性,导出了真实接触面积与载荷之间的隐函数关系,并进行了数值模拟分析.结果表明:粗糙表面的接触变形过程是从塑性变形到弹性变形的转变,在转变过渡区域会出现弹性变形和塑性变形交替的过程;某一确定尺度下微凸体变形前的顶端曲率半径是一个不随变形量变化的定值;当分形维度接近1时,粗糙表面以塑性变形为主,此时表面接触性质仅受到材料的影响;分形维度存在一个最佳值,此时粗糙表面接触性质最好.     

滚动轴承运动-接触精确建模与二次开发

针对目前商业软件在轴承动力学分析中接触求解精度不足的问题,提出了一种基于全局坐标系的轴承动力学仿真建模方法。以角接触球轴承为研究对象,利用刚体动力学理论,解析了轴承各个零件的瞬态几何位置关系;结合经典的赫兹接触与弹流动压润滑理论,构建了轴承组件的动力学微分方程;采用位移求解计算精度高的GSTIFF I3算法对建立的动力学微分方程进行快速求解,通过分析任一瞬态下各个零件的受力状态,实现了轴承组件间高副接触过程的精确解析。通过与经典理论对比,该模型的接触力仿真误差为0.82%;通过与不同转速及不同预紧力下保持架的实验测量转速对比,该模型的转速仿真误差不超过0.5%。本文所提方法显著提升了轴承接触与运动特征的分析精度,为滚动轴承的工程设计及状态建模预测等提供了准确高效的计算手段。     

铝锂合金高温变形流变应力的人工神经网络模型

对所获试验数据采用数理统计方法建立合金材料的高温塑性变形稳态流变应力模型,其精度较低,同时建模过程复杂且工作量大。以Gleeble-1500热模拟试验机得到的实验数据为基础,根据BP人工神经网络算法原理,建立了1420Al-Li合金高温塑性变形稳态流变应力与应变速率和变形温度对应关系的预测模型。结果表明,神经网络用于稳态流变应力建模是可行的,模型计算值与实测值的偏差＜5％,较好地反映了实际变形过程的特征。     

MgO钻石形锥体压痕的有限元分析

除了用于常规质量控制方法以外，钻石形锥体压痕还可以用于研究陶瓷的塑性变形，而用其它方法研究陶瓷的塑性变形是非常困难的。尽管该方法已经成功地用于测定一些陶瓷的滑移系，然而这些发现一般都是定性的，至多是半定量的。陶瓷刚性压痕的有限元分析可以帮助提高从实验观察中得到的数据的质量和理解。本文进行了MgO材料的钻石形锥体压痕有限元分析，并与标准钢EN08的锥体压痕分析结果进行了比较。考察了摩擦系数对于计算硬度值、接触压力和最大主应力的影响。     

同步性能对平地机牵引力的影响

针对一类轮边独立驱动的液压传动平地机,在对其偏载工况进行静力学分析的基础上,研究了同步性能对牵引力的影响及原因,给出了无同步功能相对于有同步功能时牵引力损失的边界条件,推导了偏载力大小、作用角度、作用点及前轮转向角等参数与牵引力损失之间的函数关系,并讨论了在边界条件满足的情况下,各参数对牵引力损失的影响趋势。以提高平地机同步性能为目标,提出了基于液压同步装置的解决方案。研究结果表明:前轮转向角、等效驱动轮中心到外负载垂直方向分量的距离及负载力对牵引力损失呈单调递增影响;偏载合力与竖直方向的夹角对牵引力损失呈单调递减影响;平地机施工时偏载力与竖直方向的夹角一般小于45°,在没有同步功能的情况下,边界条件易于满足,即在较大范围的偏载作业工况下,牵引力都存在一定损失,实际作业效率降低。