摩擦过程中真实接触面积的灰色分析

灰色系统理论是近几年以随机过程为研究对象而形成和发展起来的，在农业和自动控制等方面的研究与应用发展较快．为了使这种理论应用于摩擦学研究领域，从光全反射测量和计算机数值计算两方面，考察了粗糙表面接触时真实接触面积的随机特性，指出摩擦过程中的真实接触面积是一种含有随机成分的变化量，研究目标应当侧重于真实接触面积的变化趋势和范围，而不是它的精确解．在此基础上，首次利用灰色系统理论，分别对静态和动态接触条件下真实接触面积的变化规律进行了灰色分析，建立了精度比较高的预测真实接触面积的灰色模型ＣＭ（１，１）．这种模型对动、静接触面积的计算值与实测值具有良好的一致性。

基于真实接触面积的摩擦模型

分析了经典摩擦理论中关于摩擦系数的问题,利用弹塑性力学建立摩擦微元体,并给出3个假设:(1)摩擦力与真实接触面积成正比,(2)摩擦剪应力与正应力(压力)无关,(3)无磨损.然后提出了基于真实接触面积的摩擦模型,并利用该模型分析了等高粗糙、随机粗糙和极端条件下的摩擦力.结果表明:该模型与经典摩擦系数方法相比有较大的不同,反映了界面摩擦的起因,可以用来有效分析不同类型的摩擦问题.

用声显微镜技术测量真实接触面积的研究

为了研究表面接触对润滑状态的影响，利用ＴＨＳＡＭ－５超声显微镜配以专门设计的辅助试验装置，测得了铝片－钢球的真实接触面积分别随载荷和加载时间变化的声学像，以及润滑剂的存在对测量结果的影响，发现真实接触面积是随着加载时间的延长而增大，而且载荷越大，真实接触面积越大，这是接触点发生塑性变形的结果。研究表明，声显微镜技术是测量真实接触面积的一种可行方法，但要将其作为一种定量测量手段却还有待于进一步的研究和完善。

金属塑性成形时板料与模具真实接触面积研究

从微观的角度出发,分析了金属塑性变形过程中,模具与板料表面在外力作用下,影响真实接触面积大小的因素。指出在一般的变形过程中,真实接触面积只占投影面积很小一部分。

基于LabVIEW的机械密封端面真实接触面积数值模拟

机械密封端面的真实接触面积对端面间的摩擦磨损特性和密封性能有着重要的影响;依据分形理论,考虑摩擦作用的影响,建立了机械密封端面无量纲真实接触面积的计算模型;基于LabVIEW编制了机械密封端面真实接触面积数值模拟程序,通过数值模拟计算得到了NHM70型机械密封端面间的无量纲真实接触面积A*r与端面比载荷pg、端面分形维数D及特征尺度系数G的关系曲线;研究表明,真实接触面积随着端面比载荷的增大而单调地非线性增大;随着特征尺度系数的增大先急剧减小,而后缓慢减小;随着分形维数的增大先增大,后减小,即存在一最佳分形维数,使密封端面间的真实接触面积最大。

传热界面真实接触面积计算与分析

在热流通过两相互接触材料尤其是金属材料的界面时,真实接触面积是界面传热的一个主要影响因素。当承受大应力的两接触体之间具有相对滑动或相对滑动趋势时,粗糙表面在压力和粘着力及剪切力的作用下接触粗糙峰发生弹性、弹—塑性或完全塑性变形,真实接触面积与压力之间的关系随变形机制而发生变化,在力的作用下材料的变形机制由表面微观几何形貌和力学性质决定。计算表明,单个粗糙峰接触面积与载荷的关系受变形机制的影响,粘着力对接触面积的影响可以忽略,表面相对滑动将增加真实接触面积。

应用光全反射法及图像处理技术研究真实接触面积

光全反射法是测量真实接触面积的常用手段,然而用其测得的接触图像小,接触斑点的边界模糊。作者应用波动光学的有关理论对光全反射法的基本原理进行了深入的研究,进而提出用图像处理技术识别接触区域的边界。通过钢球与平面接触的试验研究,验证了这种测量方法的准确性和可靠性,并且根据试验结果分析了赫兹接触理论的局限性。文章最后还阐述了对典型工程表面接触面积的测量与结果。

GCr15/35CrMo摩擦副的塑性接触面积对滑动磨损的影响

基于分形理论,计算了35CrMo钢试样经过压缩疲劳试验后变形区域以及和GCr15配副滑动磨损后的实际接触面积Ar、塑性接触面积Arp和塑性接触面积比率Arp/Ar,分析了塑性接触面积Arp和塑性接触面积比率Arp/Ar的变化量δArp和δArp/Ar与磨损量的关系,采用扫描电子显微镜观察了35CrMo钢试样磨损表面的形貌.结果表明:35CrMo试块经过压缩疲劳以及和GCr15配副滑动磨损后,接触面材料的剥落引起了塑性接触面积Arp和塑性接触面积比率Arp/Ar的减少,塑性接触面积比率的变化量δArp/Ar可以描述磨损量的变化,当δArp/Ar<-0.5时,磨损量急剧增加.

依据各向异性分形几何理论的固定结合部法向接触力学模型

基于各向异性分形几何理论,考虑微凸体变形特点、表面微凸体承受法向载荷的连续性和光滑性原理,以及区分微凸体分别处于弹性、塑性变形时的一个微凸体实际微接触面积,建立固定结合部法向接触力学模型。采用二变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟各向异性三维分形轮廓表面。推导出划分弹塑性区域的临界弹性变形微接触截面积、结合部量纲一法向载荷、结合部量纲一法向接触刚度的数学表达式。数值仿真结果表明:当表面形貌的分形维数、分形粗糙度一定时,真实接触面积随着结合部法向载荷的增大而增大;结合部法向接触刚度随着真实接触面积、结合部法向载荷、相关因子或材料特性参数的增大而变大;当分形维数由1变大时,结合部法向接触刚度随着分形维数的变大而增大;当分形维数增加到趋近于2时,结合部法向接触刚度有时却会随着分形维数的增加而降低。结合部法向接触力学模型的构建,有助于分析固定接触表面间的真实接触情况。

基于分形粗糙表面的镀锌板接触与摩擦模型

在镀锌板的成形过程中,模具与坯料间的摩擦常使镀锌板的锌层发生剥落、划痕和裂纹等失效形式。为了评价镀锌板表面形貌、压力和润滑条件对界面摩擦行为的影响,选取了两种不同方法镀锌的钢板（合金化热镀锌板GA与热浸镀锌板GI）进行研究。用轮廓仪测量试样的表面形貌,用分形理论计算分形参数,获得真实接触面积与载荷的关系,然后建立镀锌板与模具之间的接触模型;并根据所建立的接触模型,构建了镀锌板表面形貌与载荷关系的摩擦模型。结果表明,所建立的摩擦模型其摩擦系数的理论值与实验值能够较好地吻合,平均误差小于10%,证明了该摩擦模型的准确性与可行性。

螺栓联接界面表面分形及接触研究

针对由螺栓联接的两个粗糙表面微观特征和实际接触情况进行了研究。采用分形函数模拟生成了粗糙面轮廓曲线,发现分形参数对传统粗糙度参数有影响;探讨了分形维数D与机械加工面传统粗糙度参数Ra的关系;利用表面分形模拟数据和实验测量数据建立了有限元接触模型。运用Abaqus软件对模型计算表明:随着接触载荷(螺栓预紧力)的增加,接触面积也相应增加;在相同接触载荷(螺栓预紧力)下,表面越光滑,接触面积越大;当接触面积增加到某一值后,改变不明显,且接触面积小于名义接触面积。这一结论可以很好的解释超声波能量在螺栓联接界面的传递机理,即预紧力-真实接触面积-能量三者的关系,为超声波能量法在螺栓松动监测中的应用提供理论基础。

静态接触中表面纹理对塑性变形界面微凸体平坦化的影响

试验研究了静态接触中表面纹理对塑性变形界面微凸体平坦化的影响。运用抛光技术制备了两种试件表面:单向纹理表面和各向同性表面。采用HDM-20端面摩擦试验机,分别在有、无润滑油条件下对试件进行了压缩试验。用JM-6200型光学显微镜观测试件表面形貌结构的变化;用Talysurf CCI Lite测量三维表面参数,并选取S_a、S_(al)、S_(tr)、S_(dr)和S_(dq)等参数来定量描述试件表面形貌结构的变化。结果表明,试件表面纹理对微凸体平坦化行为具有明显的影响,无润滑油时各向同性表面微凸体平坦化程度大于单向纹理表面,但有润滑油时刚好相反;表面纹理对微凸体平坦化的影响使得三维表面参数发生了规律性变化。基于机械流变模型的分析表明,封闭润滑油坑的出现导致了有润滑油时表面纹理影响微凸体平坦化行为。通过封闭润滑油坑特征的提取,验证了分析的正确性。

基于分形理论的粗糙表面接触力学模型

依据分形理论,考虑微凸体的等级及变形特征的影响建立了粗糙表面间的分形接触模型。确定了粗糙表面中单个微凸体弹性变形、弹塑性变形及完全塑性变形的存在条件,推导出3种变形阶段的临界接触面积的表达式。在此基础上应用海洋岛屿面积分布规律,获得了接触表面上接触载荷与真实接触面积之间的解析式。数值仿真结果表明:单个微凸体的接触面积是和微凸体的等级相关的,随着微凸体等级的增大而减小;微凸体的临界弹性、临界弹塑性接触面积由顶端曲率半径与分形参数共同确定;接触面积一定时,轮廓分形维数增大,接触载荷减小。

基于分形理论的机械密封干摩擦时端面接触特性的研究

针对碳石墨与碳化钨配对机械密封在干摩擦时端面的接触特性进行研究,在考虑动、静环材料属性,端面微凸体之间的相互作用,摩擦运动方向及摩擦热流的基础上,建立了3维粗糙实体与理想光滑刚体的转动摩擦热-力耦合模型,采用ABAQUS有限元分析软件对其瞬时干摩擦过程进行数值模拟。研究结果表明:粗糙端面的真实接触面积随外载荷的增大近似线性增加;随着外载荷与滑动速度的增加,粗糙端面最大接触压力保持在415~432 MPa范围内,表现出"自限性";粗糙端面温度分布不均匀,外载荷与速度增加会导致端面整体温度增加。端面最高温度的位置受到局部接触压力和局部滑动速度及局部热传递的共同影响;API682标准中提出抑制机械密封的介质压力≤0.07 MPa是有必要的,可以防止干摩擦时密封环温升过高。研究可为探索机械密封摩擦端面热损伤、摩擦磨损研究及机械密封设计提供借鉴。

基于分形理论的结合面微观接触特性分析

为了研究结合面微观接触特性,基于分形理论,建立粗糙表面轮廓模型,进行结合面接触趋近耦合研究。通过二维粗糙表面与光滑表面微观接触趋近过程的仿真分析,研究分形维数、表面粗糙度、位移载荷对结合面接触状态的影响机理。提出利用激光声表面波检测粗糙结合面接触的方法,并进行了实验验证。研究结果表明,粗糙表面微凸体形貌是决定材料接触性能的关键因素;微凸体接触形成的真实接触面积远小于名义接触面积。工程问题中,通过名义接触面积计算出的载荷与材料表面实际承受的载荷存在较大差异。

金属板料塑性成形摩擦机理的力学模型探讨

本文从微观的角度简要地讨论了在金属板料塑性变形过程中 ,影响模具与金属板料表面的真实接触面积的因素是外力的大小、板料与模具表面的接触状态及板料的机械性能 (主要是屈服应力 )。指出在变形过程中 ,真实接触面积只占名义接触面积很小的一部分 。

塑性成形表面微凸体平坦化行为研究

在金属塑性成形中,工件表面微凸体的平坦化对产品表面质量、工件-模具接触界面的摩擦和润滑有重要影响。为了研究拉延成形过程中工件表面微凸体的平坦化行为,建立模具与工件粗糙表面接触的有限元模型,分析了接触压力、基体塑性应变、界面摩擦和微凸体角度等因素对微凸体平坦化的影响。结果表明,界面滑动摩擦有利于微凸体平坦化,但其促进效应无法与基体塑性应变和接触压力相比;微凸体平坦化阻力随着其角度的增加而增加,但增加趋势逐渐减缓,特别是微凸体角度大于10°时。

高速压制中粉末压制载荷的分形特性研究

以Weierstrass-Mandelbrot函数表征粉末颗粒表面的统计自仿射分形特性,然后借助临界接触面积,分析了HVC中粉末颗粒接触时的弹塑性变形过程,进而得到了粉末颗粒表面总真实接触面积和压制载荷的分形模型。

PIM颗粒表面接触面积及接触载荷的分形模型

用Weierstrass-Mandelbrot分形函数来表征粉末颗粒表面轮廓的分形特性,然后根据接触力学理论,借助于弹性和塑性临界转化面积,分析了PIM中粉末颗粒接触时的弹塑性变形过程,进而得到了当颗粒表面发生弹性、弹塑性、塑性变形等不同接触状态时粉末颗粒表面真实接触面积和接触载荷的分形模型。