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。

基于均匀试验设计的航天电磁继电器触点滑移长度优化

航天电磁继电器是一种广泛应用于航空航天、武器装备等领域的电器元件,其触点的滑移可以去除触头表面的氧化膜,分离起弧点与工作点。触点滑移长度的研究有利于提高触点接触可靠性及继电器产品寿命,本文通过对簧片与触点结构建模,得到了触点切向角及接触角变化量计算方程;通过建立接触系统的柔度、装配尺寸链计算方程确定了触点滑移长度。以触点结构参数为变量,采用均匀设计方法得到了触点滑移长度的多元线性回归模型,并确定了最优的结构参数。

高压条件下界面滑移长度的定量测量

采用光干涉技术对高压条件下的界面滑移现象进行了试验研究.通过追踪冲击封油核心的运动位移,实现了对滑移长度的定量测量.结果表明:在纯滑条件下封油核心并不以卷吸速度运动,而是在盘纯滑时小于卷吸速度、球纯滑时大于卷吸速度,从而说明了滑移发生在玻璃盘表面.对封油核心的运动特征进行分析,得出了油膜界面滑移长度及剪应变率.试验分析表明滑移长度随油膜厚度、初始封油压力和润滑油黏度的增加而增加;随速度的增加而呈现减小趋势.

临界外推滑移长度的解析、测量及其流变学意义

给出用恒速型毛细管流变仪研究熔体挤出畸变时,计算熔体壁滑速率和外推滑移长度的原理和方法,采用2种聚合物样品HDPE(高密度聚乙烯)和EPDM(三元乙丙橡胶)验证计算方法。求得样品的壁滑速率在每秒几厘米的量级,临界外推滑移长度在毫米数量级。由此进一步探讨壁滑的分子机理和界面机理,指出发生显著熔体壁滑、压力振荡和挤出物表面畸变的前提条件是,熔体具有线形分子链且发生强缠结以及熔体/模壁间具有强吸附边界。

载荷对油膜界面滑移及弹流润滑特性的影响研究

为探究恶劣工况下机械传动系统中摩擦副润滑失效的形成和演变机理,建立考虑油膜界面滑移的点接触弹流润滑模型,进行仿真计算,并开展双色光干涉弹流润滑试验,研究载荷对弹流润滑中油膜界面滑移的影响,进而研究界面滑移状态下卷吸速度、流体动压、油膜厚度、滑移参数等随载荷的变化特性。研究结果表明:随着载荷的增大,界面滑移幅度和滑移范围均显著增大,滑移区域卷吸速度明显下降,滑移区域动压分布趋于均匀,滑移区域产生膜厚堆积并出现入口凹陷特征,滑移区域形状逐渐呈“半月牙形”特征。

气辅挤出口模中滑移段长度对压力降和第一法向应力差的影响

采用壁面滑移方程和EVSS/SUPG混合有限元方法,使用PTT流变学基本方程,对粘弹性高分子熔体在不同气体辅助挤出口模内的流动进行了数值模拟研究。考察了口模滑移段长度对压力降和第一法向应力差的影响。研究表明,气辅挤出可以有效减小压力降,并将应力集中的位置由口模出口处转移到气体的注入点。且随着滑移段长度增大,压力降和应力集中的程度得到减小;熔体在100%完全滑移段口模中流动时无流动阻力、压力降和应力集中现象,是一种理想流动状态。

滑移长度对液体泊肃叶微流动特性的影响

利用COMSOL Multiphysics软件,选取不同滑移长度对水的泊肃叶微流动进行数值模拟,得到入口段长度、流量和摩擦阻力系数随滑移长度的关系,分析了微流动与宏观流动的差别及不同的壁面条件下流动参数的差异.结果表明:无滑移壁面和亲水壁面下,微流动入口段长度和目前的经验公式吻合;流量值小于理论值,但与压差依旧成正比;摩擦阻力系数大于宏观理论值.典型无滑移壁面和亲水壁面下的流动特性基本相同;疏水壁面的入口段长度和无滑移壁面、亲水壁面相近,但流量和摩擦阻力系数有差异;超疏水壁面下流动特性和其他三种壁面差异很大.进口速度一定时,入口段长度随滑移长度成"阶梯式"增长;流量随滑移长度的增加而增大;摩擦阻力系数随着滑移长度的增加而减小.

气辅挤出胀大比与滑移段长度的关系

采用参数渐变法和Thompson变换,对粘弹性高分子熔体在不同气体辅助挤出口模内的流动进行了数值模拟研究。考察了体积流量、松弛时间和滑移段长度对挤出物挤出胀大比的影响。研究表明,熔体在滑移段的停留时间与材料松弛时间之比与挤出胀大比之间存在指数衰减关系,其实质是熔体在滑移段处于形变衰减过程。理论分析与数值模拟具有高度的一致性,表明该方程可用于指导气辅口模设计。

气辅挤出口模中滑移段长度对挤出胀大比的影响研究

采用壁面滑移方程和Thompson变换,对黏弹性高分子熔体在不同气体辅助挤出口模内的流动进行了数值模拟研究。考察了剪切速率、松弛时间和滑移段长度对挤出物挤出胀大比的影响。研究表明:随着剪切速率和松弛时间的增大,挤出胀大比增大;同时发现当剪切速率或松弛时间增大到某一数值时,挤出物出现先收缩后胀大现象,并伴有熔体破裂现象。模拟还表明:延长气辅挤出口模中滑移段的长度可以避免挤出物发生熔体破裂,并可有效降低挤出胀大比。

气-液界面位置对微凹槽结构内两相流场和减阻特性的影响研究

在超疏水表面增加微凹槽结构,有利于在表面张力作用下留存部分空气形成气-液界面,从而大大降低流动阻力,在流动减阻方面展示了巨大的应用潜力.然而,由于流体剪切、空气溶解等影响,微凹槽内的空气容易发生损耗,导致气-液界面位置向凹槽底部移动,进而降低减阻效果.为了揭示微凹槽内空气损耗后气-液界面位置对流动减阻效果的影响,开展了显微高速摄影实验和计算流体动力学数值模拟,研究了微凹槽内不同气-液界面位置对两相流场特性的影响,并分析了等效滑移长度和减阻率的变化规律.结果表明,随着气-液界面位置的下移,气-液界面上方的流体从附着流转变为分离涡流,空气内部的涡流方向也从顺时针转变为逆时针.形成分离涡的临界空气损耗率为h_(c)^(*)=0.3~0.4,减阻率从12%降低到5%.界面下降后雷诺数Re、微通道宽度W和凹槽长度占比δ对微凹槽减阻性能也有重要影响,研究结果有助于深化对超疏水表面微凹槽两相流动减阻问题的认识,为微凹槽结构设计及应用提供重要的理论指导.

流体流动的边界滑移问题研究进展

最近十几年来,随着现代微/纳米测试以及分子动力学模拟技术的出现和发展,流体流动的边界滑移问题研究获得了突飞猛进的发展.边界滑移相关研究大体可分为3个方面:实验、分子动力学模拟和理论数值分析,前两者主要以发现边界滑移现象、探索边界滑移的产生机理以及各因素对边界滑移的影响规律为主要研究目的,向后者主要研究边界滑移的物理模型、相关问题的计算方法以及边界滑移对流体系统流体动力学行为的影响.本文首先简要回顾了液体流动的边界滑移及其相关问题的早期研究历史,随后对边界滑移问题的研究现状进行了综述,最后展望了该领域今后的研究重点及其应用前景.

具有滑移边界圆管层流减阻的CFD模拟

超疏水表面能够减阻的一个重要原因是在流固界面上存在无剪切空气-水界面.从流体力学的角度来看,这个无剪切界面对应着流体中的滑移边界条件,而与此相关的概念是有效滑移长度.采用计算流体动力学方法,引入速度滑移边界条件来模拟超疏水表面的减阻.计算结果表明,在给定的简单模型中,无量纲压降比最高可达19.2 % .

基于局部滑移理论的钢筋混凝土轴拉构件刚度分析

基于钢筋与混凝土黏结的局部滑移理论,将开裂后混凝土轴心受拉构件分为无滑移未开裂段和局部滑移段,以一个裂缝间距范围内这两段的平均刚度作为整个构件的刚度,推导出轴心受拉构件刚度的计算公式。该公式刚度计算值与试验值差距较大,但该公式计算的平均裂缝宽度与我国现行规范中的计算值吻合较好。给出了一个范例试件局部滑移长度和轴拉刚度随轴力增加的变化曲线。结果表明:局部滑移长度随轴力的增加近似线性延长;轴拉刚度在试件刚开裂时迅速退化,开裂后退化速度减缓。

基于壁面滑移的疏水通道减阻特性仿真研究

基于壁面滑移理论,对层流状态下具有不同滑移条件的疏水通道进行了数值模拟。仿真过程中,提出了一种基于壁面剪应力公式模拟疏水通道滑移边界的方法。结果发现,流量一定时,疏水通道的无量纲压降比随滑移速度的增加而增加;疏水通道的滑移长度与无量纲压降比之间存在一一对应关系,滑移长度从4.82μm增加到66.54μm时,无量纲压降比从1.41%增加到16.62%,与理论推导结果有很好的吻合,表明本文提出的利用壁面剪应力公式模拟疏水通道滑移的方法是可靠的。

微通道纳米结构的润湿接触状态对滑移减阻影响的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的微尺度流效应,采用分子动力学方法以SPC/E水分子为纳米流动介质,分别计算模拟其在不同纳米结构的微通道内的润湿接触状态和Poiseuille流动行为,研究通过微通道壁面微纳结构改变而导致的不同润湿状态起到的滑移减阻效应。结果表明:纳米结构的周期性增加,会使得壁面的亲疏水性呈现马太效应,从而达到润湿性控制的目的。增加壁面亲水性,会使主流区密度、流体速度和滑移速度都减小;在增加壁面疏水性的过程中,主流区的密度增加;并且流体的状态由Wenzel向Cassie转变,流体速度和滑移长度先减小后增加;而亲疏水转变过程中,随着表征接触角的增加,当动静态流体与壁面的接触状态相同时,流体流动的壁面摩擦因数值呈现单调递减趋势;而当动静态流体与壁面的接触状态存在差异时,摩擦因数会出现轻度无规律波动。

电润湿效应下液滴动态接触行为分析

为研究电润湿条件下液滴动态接触行为的动态变化机制,采用动态接触角理论,建立电润湿下液滴的数值模型,并对液滴动态接触行为进行分析,系统地研究体积和壁面条件对液滴动态行为的影响。结果表明:当液滴体积从2μL增加到6μL时,液滴接触半径的最大振幅从0.16 mm增加到0.23 mm,当液滴初始角度从100°增加到115°时,振幅从0.13 mm增加到0.18 mm;同时,滑移长度从0.5μm增加到2μm时,振幅最大值从0.21 mm增大到0.29 mm。液滴体积越大、壁面的阻力越小和疏水性越强,液滴具有更高的动能以及更大的振荡幅度。此外,液滴初始动能越大,液滴的振荡更加剧烈。通过揭示液滴在电润湿过程中的动态接触行为机制,为通过电润湿效应改善微通道传热特性的研究提供理论依据。

超疏水表面微通道内水的流动特性

在铝制微通道内壁上制造出超疏水表面,水滴在其表面上的接触角达到153°。对水在内径同为0.60mm的超疏水微通道和超亲水微通道中流动的压降进行实验测定与对比,得出水在超疏水微通道内的流动阻力降有明显降低,降低的最大值可达25%。研究了水在超疏水微通道内的流动特性,发现水由层流向湍流转变发生在Reynolds数为2500左右,且在层流范围内fRe值基本保持不变。通过计算得出了不同流量下水在超疏水表面微通道壁面处的滑移速度和滑移长度,结果显示滑移速度和滑移长度均随流量的增大而增大。

用Lattice Boltzmann压力模型模拟纳米增注实验的流动参数

经岩心流动实验证实,岩心经纳米颗粒吸附法处理后,水流速度加快,岩心的水相渗透率有了大幅提高,平均达到82%。采用Forchheimer-Darcy模型描述岩心微孔道内的流体流动特征,建立了多孔介质表征体单元(REV)尺度上的不可压Lattice Boltzmann(LB)压力模型,编制了修正反弹格式的LB模拟程序,模拟了多块岩心的渗流效果,计算了纳米颗粒吸附法处理前、后的相关流动参数。数值模拟结果与实验结果吻合较好,说明LB压力模型适合模拟多孔介质的流动,在纳米增注渗流机制研究方面将有很好的应用前景。

超薄水膜剪切流的分子动力学模拟

为揭示超薄膜的摩擦特性与微观结构的关系,运用分子动力学模拟的方法对其进行研究,采用固液比作为流体膜固化的定量描述,分别讨论温度、分子层数对固液比和摩擦力的影响。仿真结果表明,摩擦力随固液比的增大而增大;当壁面原子与液体膜原子的质量比增大时,会造成固液比缓慢上升,但摩擦力却随之下降,固液间滑移长度的增大是造成这一现象的主要原因。

平直纳米通道内液体流动规律的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟了液体氩在宽度为20.4原子直径的平直通道内的三维Poiseuille流动,对液体在纳米通道内流动的速度分布以及速度滑移进行了研究.结果表明:在壁面附近,牛顿流体的速度分布二阶导数与流体粒子数密度分布的大小有关;无论疏水或亲水表面,在捕捉和分析流场时的网格足够细、分辨率足够高的情况下,流体在壁面处的速度等于0;根据速度滑移的定义和相关计算方法,温度为119.8K、比容为0.73×10-3m3/kg的液体氩流过疏水表面时滑移长度为1—2原子直径,流过亲水表面时滑移长度为-0.4—-0.7原子直径.