Hertz理论与有限元法分析轮轨接触疲劳的差异性研究

采用Hertz理论和有限元分析软件ANSYS,对钢轨表面存在微裂纹的轮轨接触疲劳问题进行研究,在不同轴重和运行状态下,获得不同位置的裂纹尖端应力强度因子。结果表明,随着轴重的增加,应力强度因子KI增加,而KII的变化趋势因车轮运行状态的不同而不尽相同。摩擦力的存在,使得KI、KII明显增加,且明显改变KII的变化趋势;在无摩擦力时,KII所占KI的比例约为6%,纯滚动时,KII所占KI的比例达到将近20%,全滑动时,KII所占KI的比例接近50%,因此,对钢轨进行疲劳断裂机理分析时,KII明显不可忽略。由于Hertz理论不考虑材料的塑性和轮轨间的摩擦力,使得Hertz理论分析轮轨接触疲劳时有适用范围小、计算结果偏大、误差累计等缺点,而有限元法是解决复杂轮轨接触疲劳问题更有效的方法。

基于Hertz理论的落石撞击桥墩冲击力计算公式及参数研究

落石撞击棚洞的冲击力公式已较为成熟,但落石撞击桥墩的冲击力公式研究较少。基于Hertz弹性碰撞理论和Thornton弹塑性假设,通过速度恢复系数引入落石反弹计算项,建立了落石撞击桥墩的力学计算模型,推导了落石撞击桥墩的弹性和弹塑性冲击力表达式,并讨论了落石的冲击速度、冲击角度及半径对冲击力的影响;建立落石-桥墩有限元模型,将数值模拟得到的弹性与弹塑性冲击力与理论值进行对比。结果表明:落石弹性冲击力结果偏大,考虑材料弹塑性的冲击力表达式更符合工程实际。实例结果显示弹塑性冲击力仅为Hertz弹性冲击力的21.58%;落石冲击力随着冲击速度和半径的增大而递增,随着冲击角度的增加而递减;在进行桥墩防撞设计时,应充分调研落石等效半径的分布情况,可在碰撞区铺设一定厚度的低强度混凝土;用弹塑性冲击力理论公式进行设防时,建议引入落石弹塑性冲击力折减系数,其值可取0.6~0.8。

基于Hertz弹性理论和Thornton弹塑性假设的滚石冲击力的修正计算

以Hertz弹性碰撞理论所取得的滚石冲击力远远超过实际情况,无法应用于工程实践中。因此,以Hertz接触力学和Thornton弹塑性假设为基础,考虑构造物材料特性、冲击物的相对尺寸、结构变位等因素,建立了滚石对构造物的冲击力修正方程,最终以二郎山1#滑坡防治工程中滚石对锚索抗滑桩的冲击为例进行对比分析。结果表明:二郎山1#滑坡治理工程中,滚石冲击力计算结果显示,修正系数介于0.06~0.11之间,计算结果与实际估计较为一致;修正系数随冲击速度的增加而先急剧后平稳降低;落石冲击力随构造物强度、滚石速度的增大而增大。

基于Hertz接触理论的转子碰摩模型

对转子系统转、定子碰摩故障的过程进行了研究 ,建立了一个基于Hertz接触理论的转子非线性碰摩模型。通过对不同碰摩模型进行理论分析及数值仿真的对比研究表明 :基于Hertz接触理论的非线性碰摩模型能更深刻地反映转、定子碰摩过程的本质特征 。

关于Hertz点接触理论适用范围的探讨

通过对ANSYS有限元分析解和Hertz理论解比较,可以确定ANSYS软件对接触问题分析的计算结果是能够满足需要的。通过实例分析求解,指出Hertz点接触理论的适用范围是沟曲率半径系数f≥0.54(或者密合度≤0.925 99)。

基于Hertz接触理论的黑水虻幼虫碰撞恢复系数测定

为建立黑水虻幼虫与收集、输送、分离等机械工作部件间发生碰撞时的碰撞模型,基于黑水虻幼虫生物特性,应用Hertz弹性碰撞理论推导了黑水虻幼虫碰撞过程动力学方程,结合运动学方程原理构建了黑水虻幼虫恢复系数的测定装置并进行了黑水虻幼虫恢复系数测定试验。试验针对第5龄期的黑水虻幼虫,采用L_(16)(4^(4)×2^(3))混合正交试验方案研究了碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向、含水率等因素对黑水虻幼虫恢复系数的影响,然后对碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向进行单因素试验,并获得了材料厚度、下落高度、碰撞角对恢复系数的影响规律与回归方程,且方程的决定系数均不小于0.9427。试验结果表明,影响黑水虻幼虫恢复系数的因素影响由大到小为:碰撞材料、下落高度、碰撞角、跌落方向、碰撞材料厚度、含水率,其中含水率对恢复系数影响不显著。单因素试验结果可得:黑水虻幼虫与Q235钢、铝合金、有机玻璃、橡胶等碰撞材料间的恢复系数依次降低,随下落高度的增大而逐渐减小,随材料厚度的增加而逐渐增大,恢复系数随碰撞角的增大而整体呈增大趋势,且横向跌落方向大于纵向跌落方向。该文研究结果可为黑水虻幼虫收集、输送、分离等机械相关工作部件优化设计提供参考依据。

基于Hertz接触理论的混凝土表层性能的检测方法

提出了一种混凝土表层性能的检测方法,该法基于弹性动力学中的Hertz接触理论,通过安装在钢球上的加速度传感器积分求取钢球敲击混凝土构件表面时的接触时间来推算混凝土表层的弹性模量,进而评价混凝土表层的状态,并且分析了该检测方法测试混凝土表层的深度范围。分别在水灰比为35%、50%、75%和100%的四个混凝土试块的上表面和侧壁进行试验验证,并与室内单轴压缩试验的结果对比,试验结果证明本方法能准确地判断出不同状态混凝土构件的表层性能。若通过一定试验的标定建立弹性模量与强度的关系,则可以进一步用来推算混凝土的强度。

基于弹塑性修正Hertz接触理论的落石冲击力计算方法

本文以弹塑性修正的Hertz接触理论为基础,考虑落石冲击缓冲层过程的复杂性和缓冲层厚度的影响,结合路基规范方法的落石冲击深度公式,得出落石最大冲击力计算方法。以日本道路公团方法计算结果上浮40%为基准值,引入参数影响系数ζ,拟合出参数影响系数ζ多项式函数,采用S.Kawahara等教授的试验结果,对杨其新方法进行修正,拟合出其高值(h=0.5m)与低值(h=3.0m)比值的多项式函数。本文方法与陈氏方法进行比较得知:陈氏方法的最大冲击力低值稍高于本文方法,其范围为1.05～1.02(H=5～30m)。运用布西涅斯克解,推导出了落石冲击荷载作用于拦石墙背部的附加应力计算公式,为拦石墙构筑物的结构设计打下了理论基础。

大型冒落体冲击垫层多参量影响修正的Hertz接触力学模型

以铜矿采空区大型冒落体冲击隐患为研究背景,基于Hertz接触力学理论,建立了考虑垫层弹塑性效应、垫层厚度、垫层孔隙率的冲击力理论修正计算模型。依据该理论公式,分析了各影响因素的敏感性,进一步以案例形式分析了采空区大型冒落体冲击载荷下有效合理的垫层厚度。结果表明:(1)垫层厚度缓冲效应较弱,垫层孔隙率缓冲效应、垫层强度缓冲效应较强,即增大垫层厚度,冲击力降幅较低,而增大垫层孔隙率和减小垫层弹性模量可有效降低冲击载荷;(2)垫层厚度缓冲效应在较小冒落体质量、较低垫层材料强度、较大落体冲击速度、较大垫层孔隙率情况下表现较强,反之,则较弱;(3)冲击力随冒落体冲击质量、冲击速度增大增幅显著,冲击速度对冲击力大小的影响有一定限值,一旦超过该极限,冲击力不再增大;(4)考虑矿柱简化为固支梁和简支梁两种情形,得出垫层有效厚度分别为8.5 m和17.5 m,综合考虑两种简化模式,确定碎石垫层厚度不应小于17.5 m。研究成果可以为大型采空区设置合理结构垫层防治动力冲击灾害提供理论依据。

颗粒弹塑性碰撞理论模型

以Hertz弹性接触力学为基础,假设材料为弹塑性强化材料,并考虑接触压力作用下颗粒球体接触面上材料进入塑性阶段后的应力调整与释放,提出了一种新的颗粒弹塑性接触理论。以此为基础,在准静态假设的基础上,研究了颗粒间的弹塑性碰撞问题,推导了相应的计算公式,并与其它弹塑性接触模型进行了比较。结果表明:按照该文模型预测的荷载变位曲线介于Hertz弹性解和Thornton解之间;强化系数越高,荷载变位曲线越接近Hertz弹性解,强化系数越低,越接近Thornton解,Thornton模型为该文模型的一个特例。在颗粒弹塑性碰撞过程中,本文理论预测的冲击力远远小于Hertz弹性解的预测结果,更与实际情况相符。

基于损伤理论的颗粒材料接触摩擦特性研究

颗粒材料的接触摩擦特性非常复杂。将颗粒材料法向非弹性接触看成是一种接触损伤,根据连续损伤理论,在引入合理假设的基础上,定义了颗粒材料的接触损伤变量,建立了相应的损伤演化方程,结合Lemaitre等效应变假设,研究了颗粒接触损伤对颗粒体材料接触摩擦特性的影响。结果表明,颗粒接触损伤模型能较好地预测颗粒材料法向压力-接触变形特性;考虑接触损伤后,接触面上的法向应力分布更为平缓,接触面积增大,并能较好地预测颗粒材料切向微观位移特性。

支持向量回归在轮轨Hertz弹性接触计算中的应用

空间轮轨接触是铁道车辆系统动力学仿真对象模型中的重要柔性环节,基于材料线弹性假设的Hertz理论,可以给出两弹性体一般接触的复杂的隐式非线性关系。支持向量回归是统计学习理论中提出的新一代学习算法,轮轨接触计算可以使用它离线学习到一个显式的非线性关系,其逼近精度和表示复杂度可得到很好的折中,有利于铁道车辆系统动力学仿真的在线计算。

考虑基体变形的节理闭合变形理论模型

节理的表面形貌对其法向闭合变形有重要影响,对给定的节理而言,接触状态也是影响闭合变形的重要因素,不同接触状态得出的闭合变形曲线差异较大。基于Hertz理论的Greenwood模型不能考虑接触状态对闭合变形的影响,Brown模型引入不同接触状态节理的组合形貌拓展了Greenwood模型。对单个微凸体的弹性分析表明:Greenwood模型与Brown模型均没有考虑基体变形的影响,基于统计理论将考虑基体变形的单微凸体变形模型应用于整个粗糙节理表面得到一个新的节理闭合模型。最后,采用该模型分析处于不同接触状态的节理闭合变形数据并与Brown模型的计算结果进行比较,验证该模型的合理性。

刚体碰撞的Hertz接触力模型比较分析

对以Hertz接触理论为基础的四种接触力模型进行了比较分析,并通过两球一次对心碰撞过程数值模拟结果来进一步说明不同接触力模型的特性,仿真结果表明:与纯弹性接触力模型相比,Hunt-Crossley(H-C)接触力模型、Lankarani-Nikravesh(L-N)接触力模型以及Flores接触力模型由于考虑了碰撞过程中的能量损失,因此更加符合实际碰撞情形。此外后三种接触力模型中,H-C接触力模型和L-N接触力模型更适合用来处理大恢复系数的碰撞问题。在分析间隙机构的动力学特性时,可以为接触力模型的合理选择提供依据。

基于Hertz接触的滚珠直线导轨副接触刚度建模与分析

为建立滚珠直线导轨副接触刚度模型,基于Hertz接触理论对滚珠和滚道的接触面进行了力学与变形分析.考虑了承载前后滚珠接触角的变化,得到了单个滚珠所受接触力与弹性变形之间的关系,在此基础上得到整个导轨所受外载荷同弹性变形的关系.以NSK滚珠直线导轨为研究对象,对所建立的模型进行仿真分析.计算了导轨在不同预紧力情况下的临界载荷,分析了外载荷在临界载荷前后导轨刚度变化情况,通过对比NSK官网相关资料验证了所建模型及理论分析的合理性.

套损井碾压整形修复时修复力的理论计算

套损井在碾压整形修复时经常凭经验确定修复力,如果修复力过大则易损伤修复处的套管.分析了基于Hertz接触理论的套管整形处的应力,给出了确定修复力的理论计算公式.计算实例表明,目前碾压整形工艺所采用的钻压远远大于理论计算值,从而降低修复后套管的承载能力,建议采用文中提出的确定最小钻压的方法指导碾压整形修井工艺.

基于Adams与RecurDyn的机械结构Hertz接触仿真对比分析

接触仿真是让多体动力学仿真软件能够更加真实的模拟机械系统的运动状态和受力情况的重要环节之一。为了得到多体动力学仿真软件Adams和RecurDyn在进行机械结构的Hertz接触问题仿真时的区别,对比了两种软件接触仿真的算法,运用Creo2.0建立了两种经典机构的虚拟样机,并针对某型越障小车的定轴轮系进行数字化建模,对这三种机构的Hertz接触问题分别运用Adams和RecurDyn进行了仿真,得到了运动状态曲线和接触力曲线,对比了仿真结果。仿真结果给进行Hertz接触问题分析的学者提供了参考。

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.

基于弹流理论的风电主轴承润滑状态分析

基于Hertz接触理论,对联合载荷作用下滚子-滚道进行接触分析,同时基于弹流润滑理论,建立风电主轴承润滑状态理论分析模型;以某型兆瓦级风电主轴承为例,采用该模型研究其极限工况下滚子-滚道接触载荷和接触应力分布、最大受载滚子沿素线方向的接触应力和接触载荷分布以及滚子-滚道接触处平均速度,并分析其在极限载荷工况下的润滑状态。结果表明:由于滚子端部应力集中,油膜沿素线呈现两端薄、中部厚特征;滚子-滚道沿素线油膜厚度与接触表面粗糙度处于同一数量级,接触表面质量对润滑状态有重要影响;改善轴承的润滑状态可从轴承结构、润滑参数及加工质量等方面入手。

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变速度理论模型

为预测长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变过程,采用Hertz接触理论确定靶体内部应力,将其分别应用于陶瓷锥裂纹与翼型裂纹扩展理论。通过比较两种裂纹扩展模型计算得到的界面击溃/侵彻转变速度,提出准确预测界面击溃/侵彻转变速度的理论模型。结果表明:将两种裂纹扩展理论相结合的理论模型可以合理地解释界面击溃/侵彻转变过程,转变速度计算结果与已有实验结果吻合较好。弹体半径较小时,锥裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程;弹体半径较大时,翼型裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程。