主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移机理研究

在悬索桥的服役过程中,由于桥梁恒载、风载以及车流量变化导致的动态载荷,使得鞍座两侧的主缆受到的力不平衡,从而引起主缆与鞍座间的动态接触和微滑移.当不平衡力超过主缆与鞍座间的静摩擦力,主缆与鞍座间将发生滑动,将导致悬索桥结构失稳,甚至可能造成桥梁坍塌.因此,揭示主缆和鞍座之间的动态接触和微滑移特性对增强主缆的抗滑性和确保大跨度悬索桥的稳定性至关重要.本文作者运用自制试验平台,模拟悬索桥实际服役环境中动载工况下的主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移行为,通过开展接触摩擦试验并对接触界面进行实时监测来研究接触摩擦机理揭示了典型工况下主缆索股与鞍座间的动态接触与微滑移机理(接触状态、微滑移幅值、摩擦系数以及接触压力等).结果表明:主缆索股承受动态载荷时各个索股个体与鞍座间的接触状态存在差异,外层索股与鞍座间的接触面均为完全滑动状态,内层索股与鞍座间的接触状态为接近完全滑动状态的部分滑动状态,主缆索股整体承受较大动载时外层索股与鞍座间更容易发生完全滑动,索股间产生分层滑移现象,不同索股的微滑移幅值由内层到外层依次增大;随着加载力的增大,从内层索股至外层索股,滑移距离增长速率依次增大,从固定端到加载端索股不同接触位置的微滑移幅值逐渐增大;索股整体与鞍座间的摩擦系数呈快速增大-小幅波动并逐渐稳定的变化趋势,多根索股平均名义摩擦系数的平均值与索股整体与鞍座间的平均摩擦系数一致.鞍座固定端接触压力呈缓慢增大-快速增大-缓慢减小-快速减小的变化趋势,加载端接触压力与交变载荷的变化趋势基本一致.随着加载力增量的增大,固定端接触压力初始基本不变,然后缓慢增大,加载端接触压力增量呈线性增大趋势.

引线键合界面切向接触的黏滞-微滑移临界转换位置和能量耗散特性研究

针对键合界面的黏滞-微滑移接触现象,基于黏滞-微滑移临界位置的连续变形条件和边界条件,建立键合界面切向接触的数学模型;推导出键合界面切向接触不同位置的变形量,研究法向键合力和超声切向力对界面黏滞-微滑移临界转换位置和能量耗散的影响规律。研究结果表明:当增大超声切向力或减小法向键合力时,界面切向变形量呈非线性增加,微滑区自边缘向内延展,引线键合界面的黏滞区半径减小;当界面中心位置刚度等于单位刚度时,黏滞区半径与法向键合力呈正相关,与超声切向力呈负相关;当键合界面切向接触变形量增加时,微滑移区域产生的能量耗散呈非线性上升。

基于微动滑移摩擦模型的失谐叶盘系统振动分析

在航空发动机叶-盘系统中,由于叶片失谐导致严重的振动局部化,造成局部叶片的高周疲劳,拟采用增加叶根干摩擦的方法降低失谐叶-盘系统振动幅值,减轻其振动局部化程度。基于微动滑移摩擦模型建立叶根阻尼器干摩擦力本构关系,采用等效椭圆代替阻尼器力与位移函数关系的迟滞回线,获得阻尼器的等效阻尼、等效刚度;将等效阻尼、等效刚度作用于叶-盘系统集中参数模型上,建立单个扇区三自由度整周失谐叶-盘系统动力学方程;采用谐波平衡法对其进行振动特性分析,讨论了叶根干摩擦对失谐叶盘系统振动特性的影响。结果表明:叶根摩擦能显著降低系统共振幅值;有叶根摩擦系统较无叶根摩擦系统的共振峰在频率上延后;增加叶根摩擦可有效降低失谐叶-盘系统的振动局部化程度。

一种正压力随时间变化的微滑移干摩擦模型

在Csaba摩擦模型的基础上发展了一种能够考虑接触面摩擦运动过程中正压力随时间变化的微滑移干摩擦模型。模型将局部微滑移运动与整体宏滑移运动进行了结合,采用在每个时间迭代上逐步分析判断摩擦微元运动状态的方法来描述摩擦运动过程中的黏滞、局部微动滑移、整体宏滑移以及分离状态,能够克服Csaba摩擦模型只能描述局部微滑移摩擦力、并且正压力分布不变的不足。对单谐波和多谐波外力作用下无分离状态及存在分离状态的干摩擦力进行了模拟。计算了凸肩阻尼结构模拟叶片在复杂激励下的非线性振动响应,研究了系统参数对干摩擦阻尼减振效果的影响,为工程中研究具有干摩擦阻尼结构叶片的接触面摩擦力提供了理论依据。

混合式陶瓷球轴承在液氮中的摩擦学性能研究

研究了由ＳｉａｌｏｎＳｉ３Ｎ４陶瓷球、９Ｃｒ１８内外环以及由ＰＴＦＥ和玻璃纤维制成的保持架组合成的混合式陶瓷球轴承在液氮气氛和重负荷条件下的摩擦磨损性能．结果表明：通过９０ｍｉｎ的－１９６℃超低温台架试验后，混合式陶瓷球轴承仍可以正常工作．对试验后的陶瓷球进行显微镜观察未发现大面积的接触疲劳破坏，但在内外环滚道表面有轻微疲坑．混合式陶瓷球轴承的摩擦功耗明显低于钢制球轴承．

不同搭接长度下套筒约束浆锚搭接接头力学试验研究

为改善已有灌浆套筒施工的便利性,提出了一种新型套筒约束浆锚搭接接头,研究了该接头的力学性能.进行了不同搭接长度下16个该搭接接头的拉伸试验,研究了接头的破坏形态、力-位移曲线、承载力、延性、钢筋应变、套筒环向应变等,并基于试验数据及平截面假定对套筒截面的内力进行分析,解释了随搭接长度变化套筒环向(拉、压)应变的变化过程.由于套筒的约束,接头的搭接长度大大减小;试验中套筒的偏转导致试件的刚度、延性小于对应钢筋的刚度、延性;搭接接头套筒中部拉力比对接接头小,对套筒材料抗拉性能要求低,搭接接头钢筋通过灌浆料传递到套筒上的剪应力比对接接头小,对套筒与灌浆料的界面粘结性能要求低.当套筒长度短时,钢筋与灌浆料间出现滑移,使得套筒中部钢筋的拉力变大,套筒与灌浆料合力为压力,反之,套筒与灌浆料合力为拉力;随着搭接长度的增加,加载过程中套筒中部近钢筋侧环向最大压应变增大;极限荷载时,随着搭接长度增加,套筒各测点环向拉应变总体呈降低的趋势.

基于微滑移解析模型的干摩擦阻尼叶片稳态响应分析

基于单边微滑移解析模型,建立了阻尼器干摩擦力的本构关系,该模型可以较好地描述摩擦界面粘滞-滑移状态以及在同一时刻阻尼器各局部拉、压应变不同而产生的摩擦力方向的不同。采用等效刚度和等效阻尼对干摩擦力的非线性特征进行了线性化处理。引入干摩擦阻尼因子度量干摩擦阻尼效果。采用谐波平衡法对简化的带阻尼器叶片系统进行了强迫振动响应分析。分析表明:干摩擦阻尼器对叶片的作用体现在阻尼和刚度两个方面,干摩擦阻尼因子是评价干摩擦阻尼效果的一个较好的参数;存在最佳的正压力,使干摩擦阻尼因子最大,响应最小。

微滑移离散模型及在干摩擦阻尼叶片振动分析中的应用

建立了阻尼器干摩擦力微动滑移离散模型,该模型可以较好地描述摩擦界面粘滞-滑移共存状态和阻尼器因局部拉、压应变不同而产生的局部摩擦力方向的不同,适用于各种激振作用下的阻尼器动力学分析,克服了微动滑移解析模型仅适用于单谐波作用力的局限。采用时域法对简化的凸肩干摩擦阻尼结构叶片系统进行了强迫振动响应分析,验证了微动滑移离散模型在阻尼叶片动力学分析中的可用性。

时频域交互法在微滑移干摩擦阻尼叶片振动分析中的应用

为准确揭示叶片阻尼系统的动力学特征,首次引入融合时域法(描述非线性力的准确性)和频域法(求解线性系统的高效性)为一体的时频域交互法,对基于微滑移摩擦模型的凸肩阻尼结构叶片系统进行了动力响应分析,并与时域法、频域法的计算结果做了比较.计算结果显示:在一定的参数条件下,时频域交互法的计算时间与一阶谐波平衡法相近,仅相当于四阶Runge-kutta法的1/10,相对误差值却不到一阶谐波平衡法的1/2,且保持稳定.研究表明:时频域交互法对于计算微滑移干摩擦阻尼叶片振动响应具有可用性,该方法克服了一阶谐波平衡法无法将微滑移模型的准确性体现在动力学分析中的不足,而且计算效率高.

基于微动滑移模型的叶片阻尼结构参数研究

基于单边微动滑移的干摩擦阻尼模型,采用Timoshenko梁单元模化叶片,建立了带干摩擦阻尼结构叶片的动力学方程．针对该微分方程的非线性特点,采用一阶谐波平衡法,进行了动力响应的计算分析．研究了阻尼器的正压力、位置、截面拉伸刚度,以及激振力的位置和大小等阻尼结构参数对叶片系统响应的影响．研究结果表明:阻尼器的正压力和截面拉伸刚度存在一个最优值,使系统响应最小;阻尼器的位置对共振频率有较大的影响;激振力的大小和位置同样影响系统的动力特性．研究结果为叶片的最佳阻尼结构设计提供理论依据．

微滑移阻尼叶片最优正压力的影响因素分析

为了研究阻尼结构参数对阻尼叶片最优正压力的影响，基于微滑移模型，推导出了阻尼器非线性干摩擦阻尼力的计算公式．建立了带阻尼结构叶片的有限元非线性动力学方程，采用谐波平衡法对系统动力响应进行了计算．计算结果表明：系统的共振频率随正压力的增大而增大；叶尖响应随正压力的增大先减小后增大；存在一个最优正压力，使阻尼器的减振效果最好，这个最优正压力随阻尼器接近叶尖而减小，随阻尼器截面抗拉刚度的增大而减小，这个最优正压力对激振力幅值改变不敏感．

微滑移阻尼叶片最优正压力的影响因素分析

为了研究阻尼结构参数对阻尼叶片最优正压力的影响,基于微滑移模型,推导出了阻尼器非线性干摩擦阻尼力的计算公式.建立了带阻尼结构叶片的有限元非线性动力学方程,采用谐波平衡法对系统动力响应进行了计算.计算结果表明:系统的共振频率随正压力的增大而增大;叶尖响应随正压力的增大先减小后增大;存在一个最优正压力,使阻尼器的减振效果最好,该最优正压力随阻尼器接近叶尖而减小,随阻尼器截面抗拉刚度的增大而减小,且对激振力幅值改变不敏感.

叶片缘板阻尼器切向接触刚度及其微滑动摩擦建模

为有效解决叶片缘板阻尼器的微滑动摩擦建模问题,针对带圆角的平板接触模型,推导得到了阻尼器切向接触刚度的解析表达式,包括初始切向接触刚度和微滑动阶段平均切向接触刚度,并将其与平面应变有限元模型的计算结果进行对比。结果表明:初始切向接触刚度的值仅与接触体的材料属性、阻尼器轴向长度与接触区半宽度的比值有关,平均切向接触刚度还与接触面的压力分布有关;利用有限元法计算得到的切向接触刚度值与理论解之间的计算误差与文献中有限元解的误差相比减小约7.1%。基于切向接触刚度的理论分析结果,发展了一种微滑动摩擦模型,给出了模型中实验系数λ的解析表达式,对于本文研究的带圆角平板接触模型,λ的值通常在1.00~1.15。将所发展的微滑动摩擦模型用于B-G型缘板阻尼器减振特性分析中,并与宏滑动摩擦模型的计算结果进行了对比,结果表明,所发展的微滑动摩擦模型可以用来计算阻尼器接触面发生微滑动时所能提供的阻尼比。

断裂力学及边界元法在有限体应变局部化问题中的应用

微裂纹模型是研究砂土变形中应变局部化问题的微观力学模型。本文在前文的基础上建立了有限平面的徽裂纹模型的基本方程。数值解析表明,微裂纹模型可再现应变局部化及应变软化现象。同时,本文简要地讨论了边界约束、尺寸效应及侧压对应变局部化的影响。

基于有限元的一种新型螺母的防松机理研究

利用有限元软件ABAQUS,建立一种新型防松螺母和标准螺母的三维有限元模型,并分别与标准螺栓装配。首先分析在循环横向载荷作用下,锁紧后的标准螺母螺栓预紧力和啮合螺纹间微滑移的变化趋势;随后比较了相同初始预紧力条件下,新型防松螺母和标准螺母承受一定的循环横向载荷时剩余预紧力和啮合螺纹微滑移。结果表明,循环横向载荷下,预紧力的降低和啮合螺纹间的微滑移是螺栓联结松动的主要原因;初始预紧力对剩余预紧力百分比和微滑移有较大影响,在允许条件下应尽量增大预紧力;同时,该防松螺母具有较好的抵抗自松动的能力,这与试验结果吻合较好。最后研究了防松螺母的防松机理以及工作时产生的附加弯矩随预紧力的变化趋势。

Iwan模型非线性恢复力及能量耗散计算研究

广泛应用于装配结构中的螺栓连接会对整个结构的动力响应产生显著的影响,可见,研究这类连接部位的动力学行为具有重要的意义。该文对描述此类连接形式的动力学行为的Iwan模型进行了深入的研究。首先推导了当构成模型的Jenkins单元的屈服力满足均匀分布的情况下,Iwan模型分别处于局部滑移和整体滑移运动时的描述模型恢复力的分段非线性函数,并对其进行了归一化处理;接着在其基础上,推导了在这两类滑移运动中,模型周期能量耗散的归一化计算公式;最后还进一步对修正Iwan模型进行了研究。研究成果为研究装配结构的结构阻尼和非线性动力学行为奠定了基础。

基于谐波平衡法的含Iwan模型干摩擦振子非线性振动

通过谐波平衡法,研究了由Iwan模型和1个质量块构成的干摩擦振子系统的自由振动和受迫振动问题.对于自由振动,推导了系统卸载和加载过程中各自对应的非线性运动方程;通过谐波平衡法,求得了各方程的1阶谐波解;为了得到方程正确的数值解,提出了确定零速度时刻的策略;数值算例结果表明:谐波平衡法与数值方法得到结果吻合较好,从而验证了谐波平衡法求解此类问题的有效性.对于系统微滑移下的受迫振动,采用谐波平衡法求得了系统的幅频关系.最后,对Iwan模型阻尼特性的研究发现,模型等效黏性阻尼比与其振幅存在非线性关系.

微动工况下接触刚度测试

设计了一套能够测量由于接触表面间小幅度的相对切向运动所导致的迟滞现象的试验装置,克服了无法将系统刚度与接触刚度分开的难题.利用该试验系统能够对不同初始正压力和激振力作用下接触表面间微幅相对运动的迟滞曲线进行测试,根据测试结果计算得到接触表面间的接触刚度.最后将试验结果与理论、数值计算结果进行对比,为最终建立一套可准确预估接触表面间接触刚度的数值模拟方法奠定基础.