沟曲率半径(密合度)对四点接触球轴承疲劳寿命影响研究

采用Romax Designer工程分析软件,应用ISO/TS 16281—2008寿命计算方法,根据经典的滚动轴承理论,对某电机轴四点接触球轴承内部载荷分布、接触应力、套圈滚道等效动态滚动元件载荷和ISO/TS16281—2008寿命等进行了大量的计算,重点研究滚道沟曲率半径对轴承内部载荷分布、接触应力、套圈滚道等效动态滚动元件载荷和ISO/TS16281—2008疲劳寿命的影响。研究结果表明,轴承型号和制造质量、载荷条件、润滑条件和可靠度等其他条件确定时,存在一个相对最优的滚道沟曲率半径(密合度);当载荷条件不同时,相应最优的滚道沟曲率半径(密合度)不同。在所研究的具体条件下,由于轴系中的2个轴承所承受的载荷不同,因而,2个轴承的最优滚道沟曲率半径(密合度)不同。研究结果可为四点接触球轴承的设计方案提供参考。

径向游隙对深沟球轴承疲劳寿命影响精细分析

采用Romax Designer工程分析软件,应用ISO/TS 16281寿命计算方法,根据经典的滚动轴承理论,对某风机用电机轴深沟球轴承,在不同径向游隙时的轴承内部载荷分布、接触应力、套圈滚道当量动载荷和ISO/TS 16281寿命进行了大量的计算,重点对轴承的疲劳寿命进行了精细分析,分析了径向游隙对轴承ISO/TS 16281寿命的影响。研究结果表明,径向游隙对寿命的影响不仅仅是通过对轴承内部载荷分布、接触应力和套圈滚道当量动载荷的影响而对寿命产生影响,还通过对寿命修正系数等因素的影响而对寿命产生影响;相同工况条件下,存在一个相对最优的径向游隙,由于所研究电机的两个轴承所受载荷不同,因而相对最优的径向游不同。研究结果可为深沟球轴承的优化设计提供参考。

基于勒让德-扫描法的机械结合部法向接触刚度区间分析

由于机械结合部实际接触时存在诸多不确定因素,利用传统接触刚度模型对机械结合部进行分析时,难以确定其法向接触刚度的合理区间。为此,将微凸体曲率半径、分布密度和微凸体高度方差视为不确定性参数,基于KE弹塑性接触刚度模型和勒让德-扫描法,建立结合部法向接触刚度区间模型并进行求解。通过与接触刚度试验数据及传统模型求解结果的对比,验证了该模型的有效性和准确性。基于该模型对结合部法向接触刚度进行分析,结果表明:勒让德-扫描法具有较高的求解精度,粗糙表面形貌参数不确定性对于结合部法向接触刚度有着明显影响,且随着无量纲接触距离的减小,影响程度逐渐增加,其中微凸体高度方差的不确定性对粗糙表面法向接触刚度影响程度最大。机械结合部法向接触刚度区间模型的建立与分析,可为结合部的研究提供参考。

弹丸定心部-身管接触模型及其应用

研究弹丸定心部与炮膛的接触现象对于理解弹丸膛内运动规律具有重要的意义,为此提出一个弹丸定心部-身管接触模型。假设定心部与阳线间的接触应力只沿阳线长度方向变化,将阳线表面简化成空间曲线;用阳线围成的笼形结构描述内膛的几何,提出了定心部与阳线的接触检测算法。将弹丸和身管沿着圆周方向展开,使用一个二维接触问题的解析解计算接触应力。针对接触应力的方根奇异性,采用Chebyshev-Gauss积分公式计算定心部与阳线的接触载荷。给出了确定模型参数的拟合方法和参数辨识方法。理论分析表明定心部与炮膛的接触刚度随着弹丸膛内行程变化。根据数值算例分析了弹丸质心偏移量对定心部与炮膛接触方式及前定心部磨损刻痕形成的影响。计算结果表明定心部受力的等效接触点并不位于定心部中心或棱线上。

内外圈相对倾斜对圆柱滚子轴承寿命的影响

采用Romax Designer工程分析软件对某大兆瓦风电机组齿轮箱进行整体建模,应用经典滚动轴承理论和“切片法”基本思想,对齿轮箱输出轴圆柱滚子轴承在不同内外圈相对倾斜情况下的接触应力、修形效果和轴承寿命进行大量分析计算;重点对轴承ISO/TS 16281寿命进行分析,分析内外圈相对倾斜量对ISO/TS 16281寿命的影响以及对未修形和对数修形最佳修形凸度量时两种情况下寿命的影响;还将ISO 281寿命和ISO/TS 16281寿命进行对比。研究结果表明,无论轴承是否修形,内外圈相对倾斜对轴承ISO/TS 16281寿命影响非常大,倾斜量越大,ISO/TS 16281寿命越短,对应的最佳修形凸度量越大,相应修形效果越好,ISO/TS 16281:2008额定寿命提高得越大;在内外圈相对倾斜量相同的情况下,ISO/TS 16281寿命与ISO281寿命相差非常大。研究结果可为圆柱滚子轴承优化设计提供参考。

连接结构界面摩擦力学建模研究进展

连接结构作为工业装备的核心部件之一,是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件.当前,因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明,导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在困难,成为制约精密结构动力学分析、高保真仿真、设计、优化和控制等问题突破的瓶颈.然而连接结构应用广泛,工程和技术人员对连接结构的机理及其多功能化有进一步的需求.本文主要综述连接结构界面摩擦力学的解析建模、有限元建模以及实验系统,并提出新型连接结构设计的发展趋势.首先,根据连接使役环境需求、工程存在问题及缺乏有效强度刚度预测理论,综述了螺栓连接结构载荷类型及精准构建连接等效模型应用.其次,重点概述了连接结构界面摩擦的几类主流理论模型,包括描述微/纳尺度分析连接界面多尺度物理行为和规律的本构模型、采用系统辨识理论和方法得到宏观界面力学响应的唯象模型、结合本构微观接触机理和系统辨识宏观角度的唯象学本构摩擦模型.然后,综述了以有限元方法为基础的连接结构仿真以及实验方法,具体包括直接有限元建模、间接等效有限元建模、实验基准系统以及各向激励连接结构实验平台.最后,基于装备领域连接结构多功能需求,提出“传静抑动”连接件以及轻量化仿生连接件的新型连接件设计思想.

基于形函数的非一致网格接触修形新方法

针对接触压力分布不均导致机械零部件过早失效的问题,提出了一种非一致网格接触修形新方法。基于单元形函数和“虚拟节点”建立了非一致网格接触节点之间的力学关系,推导得到了节点修形量与接触压力之间的数学方程,提出了一种通过最小化最大接触压力求解修形量的极小极大模型,并根据其数学特点将该模型转换为线性规划模型,提高了修形量计算的效率和全局收敛性。通过三个弹性接触修形实例,验证了该方法对一般弹性接触修形问题的适用性和有效性。

钢-环氧-钢三明治结构胶层缺陷的导波检测方法研究

钢质环氧套筒广泛应用于油气管道的修复.套筒与管道之间环氧胶层的完整性直接决定了修复质量.由于套筒、环氧胶层和管道一起构成了特殊的三明治结构,传统的无损检测方法难以实现胶层缺陷的有效识别,迫切需要发展新的无损检测方法.该文对钢-环氧-钢三明治结构胶层缺陷的导波检测方法展开了研究.首先通过半解析有限元方法,计算了三明治结构中导波的频散曲线,通过频散特征、波形结构和衰减特性筛选出了可用于胶层缺陷检测的LS_(1)波.接着设计了可用于激励LS_(1)波的压电换能器,并通过数值模拟和实验验证了换能器的有效性.然后,通过数值模拟和实验研究了LS_(1)波与胶层空腔缺陷的作用规律,发现缺陷长度尺寸在4倍波长以内时,LS_(1)波反射波的幅值随缺陷长度变化近似线性变化.在此基础上提出了一种信号处理的方法,当缺陷尺寸不小于2倍波长时,该方法可以有效辨识出缺陷反射信号.

接触与大变形问题的光滑有限元分析

橡胶材料因具有良好的抗震、吸能作用,在实际工程中应用广泛.然而橡胶超弹性材料的碰撞属于强非线性问题,分析橡胶材料的接触碰撞和大变形问题对于提高装置的缓冲性能具有重要意义.光滑有限元法(smoothed finite element method,S-FEM)是一种弱形式的数值计算方法,相比于传统的有限元方法,光滑有限元法对网格的质量要求不高,允许单元在计算过程中发生较大的变形,且光滑域的构造比较灵活,在不增加自由度的前提下,可以达到较高的精度.在光滑有限元法的基础上,采用双势方法进行接触计算,以充分利用光滑有限元法计算大变形问题的优点和双势方法求解接触力的优势.通过与有限元软件MSC.Marc的数值结果对比,验证了该算法的准确性和能量守恒性,并且分析了摩擦因数对碰撞体的影响.

准晶及压电材料黏附接触力学研究进展

作为具备多场耦合特性的先进功能材料,准晶及压电材料目前已被广泛应用于各种微纳器件与结构.在微纳尺度下,系统的力学行为将由各种表面力(如静电力、毛细力以及范德华力等)引起的黏附效应主导.近年来,准晶及压电材料在微纳尺度下的黏附接触行为获得越来越多学者的关注和研究.本文在简要介绍经典黏附接触理论的基础上,综述了准晶及压电材料相关黏附接触力学问题最新研究进展,其中包括准晶材料的理论和实验研究以及压电材料理论研究.最后对未来准晶及压电材料黏附接触力学问题研究进行了展望.

几何偏差对多螺栓复合材料接头螺栓载荷和应力分布的影响研究

本研究建立了考虑间隙的复合材料双搭接结构的半解析模型,描述了几何偏差对螺栓载荷和应力分布的影响.首先,从典型复合螺栓接头中提取螺栓/孔局部结构作为代表单元,建立考虑随机几何偏差与接触状态的螺栓/孔对的局部刚度模型.基于Reddy高阶剪切板理论,建立复合材料层合板有限元分析模型.将螺栓/孔对的局部刚度模型与层合板全局刚度模型相结合,形成了综合考虑螺栓/孔间隙和孔拉伸变形的多螺栓复合材料接头装配力学分析模型.随机螺栓/孔组合间隙分析结果表明,合理的螺栓间隙设置可以得到更均匀的钉载分布,为多螺栓接头的排孔设计提供理论指导.

弹塑性接触冲击永久变形与滑移长度的解析求解

在机械系统的设计与应用中,多体表面之间的弹塑性接触冲击现象是一个重要的力学问题,蕴含复杂的物理力学特性,对接触力等关键参数的解析与表征还存在许多争议与谜团。针对弹塑性倾斜接触冲击事件,根据Brake压陷模型建立瞬时接触力和接触变形的计算式,用接触变形系统地探讨与描述弹塑性接触冲击过程;基于广义动量定理,对冲击持时、永久变形和滑移长度的内在关系进行解析,分别得到以积分形式表示的永久变形和滑移长度表达式,再结合已发表文献中冲击对象在接触冲击前后的运动试验数据进行解析求解;测量接触冲击后被冲击对象的变形区域并进行对比分析。试验与数值结果表明:采用广义动量定理所建立的方法求解永久变形和滑移长度,其计算结果与试验值吻合较好,与采用Brake压陷模型直接积分数学方程相比,该方法计算结果更准确。

功能梯度压电界面层在球形压头作用下的接触问题

材料参数的不连续变化是导致界面处裂纹萌生和分层现象的重要原因。将材料参数连续变化的功能梯度压电材料用作界面层是抑制界面处裂纹萌生和分层的重要方法。主要研究了压电涂层-功能梯度压电界面层-压电基底结构在刚性绝缘球形压头作用下的轴对称无摩擦接触问题。首先,假设涂层和基底为均匀压电材料,建立材料参数沿厚度方向按照指数函数形式变化的功能梯度压电界面层的接触力学分析模型;其次,利用Hankel积分变换方法,将刚性球形压头作用下压电涂层-功能梯度压电界面层-压电基底结构的轴对称无摩擦接触问题转化为奇异积分方程并求解;最后,得到材料非均匀参数对涂层、梯度压电界面层、基底结构内部及界面处的力电响应的影响。研究结果表明:功能梯度压电材料作为界面层连接压电涂层和基底时,可以消除界面处的材料参数不连续导致的界面应力不连续;梯度压电材料参数的变化对界面层的应力与电位移分量有显著影响。

受载空心柱下多孔半空间的接触分析

多孔结构具有诸多优良特性被广泛应用于航空航天、生物医疗以及各种工程装备中,而空心柱具有独特的结构常被用于承担结构载荷.因此,研究空心柱与多孔半空间的接触问题显得尤为重要.文章运用Hankel变换将轴对称接触问题转化为积分方程的求解问题,推导出表面接触应力和位移的精确表达式.发展了高斯-切比雪夫结合乘积型Bessel函数的无穷积分的数值求解方法,并退化对比验证了方法的正确性,结果表明该方法在奇异值处的计算精度和效果更佳.数值分析了表面接触应力随泊松比、孔隙率、力载荷、内径、壁厚(空心圆柱)和半径(碗形抛物柱)的变化情况,并给出了位移随孔隙率、内径、壁厚、半径及深度的变化情况.研究结果表明基体的接触区域中心产生明显的叠加变形,并且接触区域外侧的奇异性要高于内侧,所以外侧更有可能是裂纹的起始位置.此外,在较小的内径下,当空心柱壁厚与实心柱半径一致时,空心柱比实心柱所导致的基体接触区域外边缘的应力奇异性小1倍以上,并且随着孔隙率的增大该比值降低;当空心柱外径与实心柱半径一致时,空心柱比实心柱所导致的基体接触区域外边缘的应力奇异性大1倍以上,并且在大孔隙下该比值更大.研究结果对多孔材料的设计和应用具有重要的指导意义.

界面黏接对软电介质薄膜临界击穿场强影响的试验研究

软电介质薄膜因模量低、可大变形、适应性强等特点,被广泛应用于电气和电子系统中。但由于材料的介电常数较低,通常需要在较高的电场环境下服役。在高电场环境下,软电介质薄膜易产生失稳和电击穿破坏,影响着材料的应用范围和稳定性。本研究针对电极对软电介质薄膜有无约束两种情况对此类器件的稳定性展开了研究:首先定量描述了电极对电介质无约束时,电压加卸载过程中失稳形貌的演化规律;其次讨论了例如氯化锂水凝胶等软电极对薄膜力电失稳的抑制,并利用化学黏接的方式增强水凝胶电极对电介质薄膜的约束,提升了电介质薄膜的临界击穿场强。

应变对非常规间距双壁碳纳米管层间摩擦的影响

为揭示低维纳米材料的摩擦规律,并对摩擦过程进行有效调控,利用分子动力学模拟方法研究轴向拉伸应变对不同层间距双壁碳纳米管层间摩擦行为的影响机理。模拟结果显示,与常规间距(层间距d=0.34 nm)双壁碳管相比,非常规间距(d<0.34 nm)的碳管层间摩擦行为受应变的影响更显著,即非常规间距双壁碳管层间摩擦力随着应变的增加明显降低,而常规间距双壁碳管层间的摩擦变化相对较小。分析发现,应变作用使非常规间距双壁碳纳米管较强的层间范德华作用逐渐变弱,导致层间剪切阻力降低、摩擦力减小。研究表明,应变工程可有效调控非常规间距碳纳米管层间的摩擦行为,结果对深入理解低维纳米材料摩擦行为具有重要意义。

无加力涡扇发动机二元喷管的红外辐射特性实验

对轴对称喷管和一组长宽比分别为1,4,8,12和16的二元喷管进行了红外辐射特性测试实验研究。喷管中的气流由主流燃气和次流空气组成,用以模拟涡扇发动机的喷管。得出了二元喷管的红外辐射强度的空间分布,并且将二元喷管和轴对称喷管的红外辐射强度进行了比较。

线接触弹性接触变形的解析算法

以一般光滑弹性体接触理论为基础 ,结合有限长弹性体接触的特点 ,求出线接触弹性接触变形的解析公式 ,并发现其解析解与数值解具有很好的一致性 .所得公式可以对赫兹线接触理论加以补充 .与经验公式相比 ,它能够确切反映材料、载荷以及曲率半径等对接触变形的影响 ,为工程中的精确计算提供了方便 .

一种结合面法向接触刚度计算模型的构建

为了预测2个固体粗糙表面接触时结合面的法向接触刚度,采用分水岭分割方法获得了粗糙表面三维微凸体的尺寸与空间分布;基于弹塑性接触理论推导出单对微凸体侧接触时接触载荷与接触变形的关系,并通过确定粗糙表面上每个微凸体的变形类型与接触载荷,计算了结合面的法向接触刚度.将计算结果与实验结果进行比较,验证了该方法的有效性.

涡扇发动机排气系统红外特征

采用反向蒙特卡罗法(Reverse Monte-carlo,简称RMC)结合窄带模型计算了模型涡扇发动机(不带加力)排气系统的红外辐射强度。考虑了金属壁面的发射和反射以及燃气中CO2,CO和H2O等组分的吸收、发射和透射,组分的吸收系数由NASA SP3080数据库获得,并对判断射线归宿的过程进行了改进,开发了计算程序。实验测量了模型涡扇发动机排气系统的中波红外光谱辐射强度及其空间辐射强度分布。结果表明:计算得到的3～5μm波段内的光谱辐射强度以及空间辐射强度分布与实验值吻合较好,最大误差为10%左右,本文的计算方法能比较准确地反映涡扇发动机排气系统在非加力状态下的中波红外辐射特征。