装配式衬砌接头的接触力学模型研究

装配式衬砌是由衬砌管片通过螺栓连接而成的,在相邻管片连接处存在一个力学特性比 较复杂的区域,这个区域存在面面接触及螺栓的连接。将其抽象为面面接触单元及螺栓 预紧单元进行数值模拟,并通过算例进行了分析,得出了一些结论。

番木瓜摘取的接触力学模型构建与试验

【目的】实现番木瓜稳定无损伤摘取。【方法】采用三指对称夹持后扭断的摘取方案,构建摘取接触力平衡方程,依据三指内力汇交原理进行抓取稳定性分析,制定摘取接触力学模型求解方案,并对番木瓜进行摘取试验。【结果】样本表面无明显变形、压痕与裂纹,夹持处果肉室温静置24 h后无明显的颜色变化和伤痕,最大夹持力远小于成熟番木瓜横径方向受压弹性变形阶段压力极限值;质量和摘取扭转力矩与横径、纵径、果柄长度、果柄扭断直径有密切依存关系,质量多元线性回归达极显著水平,扭转力矩多元线性回归达显著水平;依据接触力学模型和回归模型计算的理论夹持力与测量夹持力对比,测量夹持力均高于理论夹持力,两者最大偏差小于20%,两者在趋势上具有较好一致性。【结论】摘取方案能稳定无损伤摘取番木瓜,摘取接触力学模型具有正确性与实用性,可为番木瓜摘取末端执行机构设计与力度控制提供依据。

偏载状态下轧机轴承接触力学模型研究

该文针对板带轧制过程偏载工况下滚动轴承接触力学模型进行研究。建立了支承辊四列圆柱滚子轴承的Hertz理想接触模型、基于柔度矩阵法的轴承偏载接触力学模型。针对辊间不同载荷进行了模型数值求解,仿真模拟了理想及偏载接触过程。研究表明:偏载运行状态严重影响各列轴承载荷分布,15°~30°位置角的滚动体承载最大,最大接触应力呈“M”形分布;仿真结果与数值模拟结果吻合程度较好,误差不超过15%,且略小于数值求解结果,在实际工程应用范围内;随着轧制载荷的增大,轴承同一列上的总径向力不断增大,偏载程度越来越严重。研究为延长轴承使用寿命、保证轧机安全稳定运行提供理论依据,具有重要工程意义。

足式机器人足-地力学模型及实验仿真研究综述

基于现有足式机器人足-地接触力学的研究,综合论述了足式机器人足-地接触力学模型、实验方法、虚拟仿真等方向的研究现状。总结归纳了硬质、松软两种地面环境下建立的各种足-地接触力学模型;对足-地接触力学足端运动、腿部运动状态以及不同足端形状的实验方法进行归纳;并基于有限元仿真和离散元仿真两类仿真方法,对足式机器人足-地力学虚拟仿真进行总结;最后,对足式机器人足-地接触力学在动态交互模型、地面适应性及足端创新性等方向的未来研究提出展望。研究足式机器人的足-地接触力学对于提高其在多变地形中的运动性能至关重要,有助于开发出更高效、更稳定的足式机器人系统。

薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析

在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。

进水塔基础接触面力学模型对塔体结构应力的影响

用ANSYS中的接触单元分析进水塔基础接触面力学模型对塔体结构应力影响;经分析,基础接触面的力学模型对扬压力作用的影响非常明显,对地基反力、地震作用影响很小;接触面力学模型对塔体结构应力影响主要表现在底板部位;接触单元的接触面与目标面易发生相互嵌入而产生应力增加或降低的假象,因此,对接触单元的应用一定要慎重。

粗糙表面接触力学问题的重新分析

为了克服基于统计学参数的接触模型的尺度依赖性以及现有接触分形模型推导过程中初始轮廓表征受控于接触面积或取样长度的不足,基于粗糙表面轮廓分形维数D、尺度系数G和最大微凸体轮廓基底尺寸l,建立了新的粗糙表面接触分形模型,探讨了微凸体变形机制、粗糙表面的真实接触面积和接触载荷的关系,揭示了接触界面的孔隙率和真实接触面积随端面形貌、表面接触压力等参数变化的规律,给出了不同形貌界面被压实的最大变形量.结果表明:微凸体变形从弹性变形开始,并随着平均接触压力pm的增大逐步向弹塑性变形和完全塑性变形转变;接触界面的初始孔隙率φ_0随D的增大而增大,压实孔隙所需要的最大变形量δ也随之增大;接触压力p_c增大,孔隙率φ减小,并随着D的增大和G减小,φ快速减小,直至填实,变为零;D较小时,G的增大对真实接触面积的增大影响较小;D较大时,G的增大对真实接触面积的增大作用明显.研究成果为端面摩擦副的润滑与密封设计提供了理论基础.

平行钢丝束斜拉索的微动磨损分析

为了准确评估桥梁平行钢丝束斜拉索的耐久性,针对其在服役期间的微动磨损问题开展了研究。首先,根据平行钢丝索的索体结构分别计算了由扭绞角和护套紧箍效应造成的不同位置钢丝间的挤压力。其次,建立了平行钢丝间的接触力学模型,根据微动振幅和振动频率,提出了平行钢丝微动磨损深度的计算方法。最后,计算了某斜拉桥服役20 a的平行钢丝索的磨损深度,并与实测结果进行了对比分析。结果表明:接触力学模型能够较为准确地计算平行钢丝索不同位置钢丝在服役期的磨损深度;在拉索的长度方向,靠近端部钢丝的磨损程度要大于中部钢丝,从拉索的截面分布来看,外层钢丝磨损程度较轻,靠近圆心位置的钢丝磨损较为严重,理论计算结果与实桥旧索的检测结果基本相符;钢丝磨损深度的发展随时间的增加呈先快后慢的幂函数规律,磨损速率随着钢丝间的接触力、拉索的振动频率、振幅的增大而加快;算例中的钢丝镀锌层将在4.5~9 a内磨耗殆尽,远低于由环境腐蚀造成的镀锌层失效时间;微动磨损将使镀锌层过早失效,缩短了疲劳裂纹的萌生时间,如果不考虑平行钢丝间的微动磨损将使拉索寿命评估偏于不安全。

试样倾斜对球形压头微米划痕测试紫铜摩擦系数的影响

采用球形压头对紫铜进行微米划痕实验,在恒定正压力下研究了试样倾斜对测试摩擦系数的影响。结果表明:实验测得的名义摩擦系数与倾斜角线性相关,且±9°的差别会造成摩擦系数相差约14倍。通过建立球形压头与试样倾斜状态的位置关系模型,发现试样倾斜对粘着摩擦系数无影响,而犁沟摩擦系数随倾斜角线性变化。为了准确计算无倾斜条件下的真实摩擦系数,可通过平面接触力学模型实现名义摩擦系数与真实摩擦系数之间的转换,或者在试样表面的不同位置往复划刻,再取摩擦系数的平均值作为最终结果。

多工况舰载导弹垂直发射仿真分析

为了研究在导弹垂直发射过程中,发射系统的接触碰撞对导弹出筒初始飞行状态的影响,以刚柔耦合的动力学模型为基础,结合发射筒和导弹接触的具体形式,即考虑折叠翼作用以及导弹支脚双侧接触碰撞特征,基于Dubowsky连续接触力学模型,计算法向碰撞力;利用修正后的Coulomb模型,计算切向摩擦力,建立垂直发射系统多体动力学仿真模型。通过计算分析发现:导轨间隙产生的接触碰撞力,造成发射装置强烈耦合运动,影响导弹发射时初始状态的稳定性,在实验以及设计中应予以重视。

大型多支承回转窑运行状态监测与调整

在研究回转窑运行状态影响因素的基础上,建立了回转窑载荷分配与轴线变化的线性关系式;得出了运行时回转窑主体部件的应力及变形情况;探明了回转窑轴向运动机理,建立了轴向运动接触力学调控模型;给出了回转窑最佳运行状态调整的优化方法,建立了调窑参数模糊优化模型;研究了一种新型的回转窑运行轴线测量方法———零位移方向键相法;应用理论研究成果,开发了回转窑运行状态分析与监测系统.

基于赫兹理论的全方位MY轮稳定驱动分析

为深入研究实验室自主研发的MY全方位轮的运动稳定性及有效驱动,建立全方位轮与环境接触的力学模型,分析轮子在运动过程中的变形与驱动过程。应用赫兹接触理论建立轮-地面接触力学模型,推导出轮子负载与接触面变形量之间的映射关系,并利用有限元仿真软件进行仿真验证。在静力学分析的基础上,深入讨论MY轮与地面的滚动接触状态,研究有效驱动力矩与轮子承载、运动状态的关系。最后通过实验验证了以上理论分析的正确性,为提高机器人的运动稳定性和有效驱动提供设计依据。

未知时变环境下机器人自校正阻抗控制研究

针对未知、时变环境下机器人力位控制需求,基于非线性接触动力学模型进行了阻抗控制的位置自校正修正算法研究。通过建立基于Hunt-Crossley非线性接触动力学模型的阻抗控制系统,构建了在刚性或柔顺作业环境下机器人末端位置与接触力之间的动态关系;在自校正控制系统中引入自扰动递推最小二乘辨识算法,以接触力误差最小为设计指标,设计了阻抗控制的位置自校正修正算法,在预测控制同时进行接触动力学参数在线跟踪辨识,解决了在材料力学特性未知或存在时变的环境下,力跟踪的实时性和准确性问题;仿真实验模拟了环境力学特性参数事先未知且在不同作业区域间存在差异的应用场景,结果表明,该算法能够实时进行阻抗控制的自适应位置调整,保证了力位跟踪控制的快速响应性和收敛性,稳态力跟踪误差控制在2%以内,环境力学特性发生变化时的控制调整时间仅约7个采样周期,相较对比算法减少约70%。

Stability analysis of the rotating tribological pair system on circular-disc end faces

In order to study the stability of friction and contact of the rotating tribological pair system,considering the influence of the changeable factors on the stability,the system dynamics analysis model based on the Lagrange equation is firstly established.The surface contact stiffness model is determined on the basis of the fractal theory.The model of the friction torque with velocities is created by using the Stribeck friction effect.The Lyapunov indirect method is employed to explore the eigenvalue problem of the system state equation.The effects of the applied load,the fractal dimension,the fractal scaling coefficient and the Stribeck coefficient on the system stability are investigated in detail.The numerical simulation results demonstrate that the tribological pair system is prone to causing system instability at low speed,and the system instability boundary value decreases when the Stribeck coefficient decreases.The fractal dimension and the fractal scaling coefficient impact the system stability slightly when fractal dimensions are large,and the system instability can be reduced by properly increasing the surface smoothness.Moreover,the system instability evidently increases with the increase in the applied load and the Stribeck coefficient.These achievements can provide a reference and theoretical support for the analysis of the dynamic performance of the tribological pair system.

Research on dynamical derailment system for CRH

Based on an improved three-dimensional wheel-rail contact trace algorithm and a new model of wheel-rail contact force, wheel-rail derailment dynamical model is established on China Railways High-speed（CRH） vehicle and developed in MATLAB software, which is called dynamical derailment system for CRH （DDSCRH）. Analyzed on dynamical derailment process of high speed vehicle by DDSCRH, the critical position on chmb wheel and influence factors on lateral force for derailment are obtained. Finally, high-speed vehicle dynamical simulation is verified on DDSCRH by comparing with the existing results of the line test.

Simple Hydrostatic Model of Contact Angle Hysteresis of a Sessile Drop on Rough Surface

The phenomenon of hysteresis of contact angle is an important topic subject to a long time of argument.A simple hydrostatic model of sessile drops under the gravity in combination with an ideal surface roughness model is used to interpret the process of drop volume increase or decrease of a planar sessile drop and to shed light on the contact angle hysteresis and its relationship with the solid surface roughness. With this model, the advancing and receding contact angles are conceptually explained in terms of equilibrium contact angle and surface roughness only,without invoking the thermodynamic multiplicity. The model is found to be qualitatively consistent to experimental observations on contact angle hysteresis and it suggests a possible way to approach the hysteresis of three-dimensional sessile drops.

机械固定结合面刚度特性建模

针对机械结合面G-W接触模型和M-B接触模型存在的不足,基于分形理论,提出一种能描述2粗糙面接触的配对几何粗糙特性的法向刚度力学模型.该模型在几何尺寸上独立,给出了结合面面压与刚度的解析解,能有效求解结合面配对接触的法向刚度.根据应变能相等的原则,把结合面法向刚度和切向刚度折合成连续体的材料属性,建立了描述结合面特性的虚拟材料模型,试验证明了该方法的有效性.

高温发汗自润滑技术及其理论研究

要在中国国家自然科学基金项目《高温汗腺式自扩散润滑技术及其理论研究》（No．50275110）和《高温润滑胞体结构形态及其功能控制机理研究》（No．50775168），以及中国国家教育部博士学科点专项基金项目《高温发汗润滑胞体的多胞结构稳定性研究》（No．20070497105）的共同资助下，通过数理建模和科学试验，研究了高温发汗自润滑材料（HTSSI。c）的润滑机理、机械性能、润滑特性及其控制理论；提出了胞体结构及其强韧性模型，研究了其孔结构形态与制备工艺间互耦性；为了拓宽材料的应用范围，研究了复合润滑体组分及其复合技术；并以此制备出HTSSLC和构建了其理论与技术体系。高温发汗自润滑是基于生物体汗腺结构和发汗原理提出的自润滑原理及其技术；HTSSLC是由汗腺式有序孔胞结构的金属陶瓷硬相基体（胞壁）和熔渗在胞孔中的多元润滑体（胞核）组成的复合体，其润滑机理是复合体胞核中的润滑物质在高温摩擦热应力驱动下沿基体有序微孔通道扩散（析出）至摩擦表面，实现自补偿润滑。基于人体汗腺结构及高温发汗自润滑概念，构建了描述汗腺式微孔结构特征的汗腺式微孔分布表征模型（PSDM），并基于模型分析了烧结过程中孔隙演化规律及形成条件、材料组分和工艺参数对微孔结构形态的影响以及孔结构形态、尺寸、孔径分布与孔隙度问互耦合关系；为了验证模型的有效性，利用TiHz与CaCO。分解温度差的物化性能，以TiHz＋CaC03的复合体为复合造孔剂，辅以AlzO。为惰性弥散质点，采用二次造孔法（DSP-FT）在真空条件下制备出了与模型理论相吻合的汗腺式有序微孔结构TiC-Cr-W-Mo-V系基体。由于复合造孔剂在首次分解时，Till2分解出H2和rri，H2在烧结体内形成初始孔隙，rrj则活化烧结过程，增强了烧结体的强度；而在液相烧结温度范围内进行的CaCOs二次分解，可使C02气体在液相中形成气孔通道，在烧结体表面形成开口气孔，使得金属陶瓷基体具有高强和有序微孔结构形态。为了在微孔中复合出具有扩散活性和良好润滑性的复合润滑体，开展了软金属与金属陶瓷基体的润湿性、互溶性及真空熔浸工艺研究，实现了润滑体的优化组分设计及其在基体中梯度分布的熔浸可控性，制备出具有硬质相胞壁、软质相复合润滑胞核及有序微孔胞管的高温发汗自润滑胞体结构材料。围绕构建高温发汗自润滑胞体材料的强韧性设计和工况适应性预测的理论基础，以材料特性指导强韧性设计为目标，基于胞孔结构特征，建立了胞体接触状态的几何表征模型；引入了可表征正三角形、正四边形及正六边形等孔结构形态的特征值λ（λ－R。／R。，R。为基础胞元多边形外壁的内切圆半径；R为多边形胞孔的内切圆半径；λ取值范围为0％A〈1）；推导出相对密度广义表达式（GERD）和孔隙率广义表达式（GEP）；建立了可表征各种孔结构形态的有序孔结构几何表征模型（OPSGM），探讨了λ对材料接触强度的影响规律，得出了当A〈0．4时，可将多胞体材料看成连续介质体的结论；建立了厚壁单胞体接触力学模型（CMMTWCS），研究了不同多胞结构体及其分布形态的接触稳定性特征，以及切向力对接触应力分布的影响及胞体形态对切向力的敏感性；采用胞壁等效曲梁计算方法（ECBCM）求解了其接触力学问题，通过试验验证了模型及其算法的正确性；ECBCM不仅拓宽了经典Hertz接触理论，而且避免了当量弹性模量法中求解超越方程的困难，解决了混合理论法无法求解孔洞周围局部应力分布的难题。研究表明，孔隙率的增大对接触压力的分布影响不大，而对胞壁弯曲变形和局部应力分布影响很大，因此，影响厚壁胞体压缩强度的主要因素是胞壁弯曲变形引起的胞体内（尤其是孔口）应力分布。围绕构建HTSSLC的组分设计及润滑控制的理论基础，开展了材料细观力学特征及其相组分对其润滑性影响的研究}基于材料的硬质相和软质相复合特征，建立了基于α因子（α为反映材料中各相组分体积百分比因子）的面向颗粒增强型复合材料的弹性模量修正Hirsch模型（MHMEM），研究了α与材料中各相成份体积百分比和弹性模量的函数关系；理论结果与试验结果的一致性证明，SEEMEM精度高，避免了对试验数据的依赖，可有效地拓宽到均匀复合材料的弹性模量计算中；推导出无须区分基体相和增强相的颗粒增强型均质复合材料热膨胀系数计算模型（TECMPRC），研究了其微观等效弹性模量、线膨胀系数、热特性、微应力应变规律等细观力学行为；研究了润滑胞体孔隙率与胞核变形量之间的相关性、工作温度对胞核变形量的影响以及胞核组分对润滑体析出量的影响。研究表明，孔隙率及工作温度对胞核变形量有较大影响，而胞核组分及变形量又影响其润滑元素析出量；这种互耦性在很大程度上取决于胞体的组分设计其热参数性能。为了探讨高温发汗自润滑机理，在高温摩擦学试验基础上，开展了润滑体析出机理分析、磨损表面形貌分析、表面膜厚度测量及膜中元素分布形态的研究，探讨了摩擦过程中工况参数与润滑体组分对其摩擦磨损特性的影响；研究了以Pb，Sn，Ag，Cu等软金属元素为组分的复合润滑体析出过程及成膜机理；观察和分析了在严重擦伤部位的润滑元素浓度分布形态。结果表明，高温发汗自润滑的典型特征是其胞核中的润滑元素能在高温摩擦热一应力驱动下沿有序微孔析出，并富集在摩擦表面；其分布形态是擦伤越严重的部位，其润滑元素析出的浓度越大；基于工程表面摩擦越严重部位的摩擦热一应力越大的事实，这种润滑元素在摩擦热应力驱动下向摩擦表面扩散实现其自润滑的机理，揭示了其择优自补偿润滑的功能特征。围绕构建HTSSLC的润滑控制与零件寿命设计的理论基础，以润滑控制为研究对象，基于高温发汗润滑机理及其摩擦过程中表面形貌特征变化趋势，建立了元胞自动机模型（CA）；研究了高温摩擦过程中的材料摩擦系数、表面形貌、接触应力及摩擦温度场动态过程，揭示了摩擦过程中润滑体析出一润滑膜形成、破坏、再形成的动态演变规律；基于高温发汗润滑表面膜覆盖率（CRLF）与润滑性能之间的耦合关系，建立了其覆盖率计算模型，揭示了摩擦副表面形貌、润滑层结构及材料参数、环境温度对润滑膜覆盖率的影响。研究表明，润滑膜覆盖率随材料基体孔隙率，润滑层深度和环境温度增加而增大；减小摩擦表面粗糙度，可以提高摩擦表面边界润滑膜的覆盖率；实现了以摩擦表面粗糙度、熔渗孔隙率、润滑层深度、材料热膨胀系数及工作温度为自变量的高温发汗自润滑膜覆盖率的预测计算。为了拓宽HTSSILC的温度使用范围，基于BN和C具有的相似物理特性和晶体结构，在基于经验电子理论（EET）对BN及BNC复合物的价电子结构进行分析的基础上，设计和制备出BNC硅油复合胶体，并作为高温发汗润滑液将其复合进金属陶瓷基体，取得了在300℃的温度下其摩擦系数仅为0．13的工程效果。卜述研究表明：制备出的内贯通有序微孔胞体结构形态的金属陶瓷基体具有接触强度与尺度优势，可存储具有不同特性的复合润滑粒子体作为润滑剂；因而，该基体是摩擦学功能材料的理想载体，通过在载体中熔浸（或浸渍）具有不同性能的润滑体可组成新的发汗润滑功能体，解决特殊工况领域的自补偿润滑问题。

A multiscale modeling approach to adhesive contact

In order to model the adhesive contact across different length scales, a multiscale approach is developed and used to study the adhesive contact behaviors between a rigid cylinder and an elastic face-centered cubic (FCC) substrate. The approach combines an atomistic treatment of the interfacial region with an elastic mechanics method description of the continuum region. The two regions are connected by a coupling region where nodes of the continuum region are refined to atoms of the atomistic region. Moreover, the elastic constants of FCC crystals are obtained directly from the Lennard-Jones potential to describe the elastic response characteristics of the continuum region, which ensures the consistency of material proprieties between atomistic and con- tinuum regions. The multiscale approach is examined by comparing it with the pure MD simulation, and the results indicate that the multiscale modeling approach agrees well with the MD method in studying the adhesive contact behaviors.