平整光滑的机械结构表面从微观看是由无数尺寸不同的微凸体构成,表面之间的接触特性通过微凸体群之间的相互作用来表征,这种接触特征导致接触过程的真实接触面积远小于名义面积,易发生局部过载造成磨损或压溃的现象,影响其工作性能,因此对于机械结构表面接触性能的研究一直是摩擦学和力学领域研究的热点。文中介绍了现有研究方法中应用最为广泛的统计学法和分形法的研究进展,并综合发展现状对现有相关研究中存在的待解决问题做简要探讨,为未来机械结构表面接触理论的进一步发展提供基础。

针对螺栓结合面弹塑性区域内的接触机理难以确定问题,根据在变形状态转变的临界点处微凸体真实接触面积与接触载荷转化均满足连续和光滑条件,构造新的多项式函数来描述接触变形与接触面积之间的关系。利用统计学方法建立螺栓结合面真实接触面、接触载荷与接触刚度模型。理论计算结果表明随着平均表面距离的减少,接触载荷、接触面积和接触刚度随之增加;接触面积和接触刚度,随着接触载荷的增加而增加,当接触载荷增加一定程度后接触刚度和接触面积值分别趋于理想接触刚度和名义接触面积值;当螺栓结合面处于弹性和弹塑性接触状态时,塑性指数越大,接触面积越大,而平均接触距离和接触刚度就越小,当处于完全塑性状态时,塑性指数越大,刚度和平均接触距离就越大,而真实接触面积影响较小。

为准确揭示机械结合面的弹塑性接触变形机制,通过对单一微凸体的接触分析,利用统计学方法建立了结合面量纲一实际接触面积、接触载荷与接触刚度模型,并基于模型进行仿真分析。结果表明结合面量纲一平均表面距离随着量纲一接触载荷的增加而减少;量纲一接触面积和接触刚度随着量纲一接触载荷的增加而增加,当量纲一接触载荷增加一定程度时,量纲一接触面积值趋于名义接触面积值,但量纲一接触刚度值与理想接触刚度值相差较远;当结合面处于弹性和弹塑性接触状态时,塑性指数越大,量纲一实际接触面积越大,而量纲一平均接触距离和接触刚度就越小;当处于完全塑性状态时,塑性指数越大,量纲一接触刚度和平均接触距离相应越大,而量纲一实际接触面积反而较小。

以接触式机械密封密封环为研究对象,建立摩擦副密封环整体传热模型,通过热-结构耦合模拟与数值计算,得到摩擦副的温度分布以及不同工况条件下摩擦副的变形情况。研究结果表明:密封环最高温度与最大热流密度都集中在密封环靠近摩擦副的内径处;密封介质压力和弹簧比压增大,摩擦副闭合力增大,微凸体接触增加,使得摩擦副变形量增加;随着转速的增加,摩擦副端面逐渐打开,微凸体对开启力的作用减小,使得摩擦副的变形减小。

为研究含有硬涂层的粗糙表面中微凸体和基体变形对表面微观接触特性的影响规律, 利 用 H e r tz接触理 论分别求出微凸体和基体的接触刚度, 利用不动点迭代法确定微凸体变形量, 建立关于微凸体接触变形量的刚度模型, 通 过并联关系耦合接触刚度, 建立新的接触表面微观接触模型. 为验证新模型对含有硬涂层的粗糙表面接触特性描述的正 确性, 建立了不同大小和不同材料的单微凸体有限元模型, 通过与 He一 模型、有限元分析结果比较, 发现当基体材料和 微凸体材料不同时, 微凸体/ 基体系统的应力分布会不均匀, 微凸体表面的接触力比材料相同时的接触力小, 最大应力比 材料相同时的最大应力大;在变形量很小的时候, He一 模型解和新模型解都很好地与有限元分析结果相吻合,随着变形 量的变大, 有限元分析解和新模型解开始同时偏离He一 模型解, 但新模

基于分形几何理论,利用双变量的Weierstrass-Mandelbrot函数模拟三维分形粗糙表面,建立了三维分形粗糙表面弹塑性接触模型。推导出各等级微凸体发生弹性、弹塑性以及完全塑性变形的存在条件。确定了粗糙表面上各等级微凸体的面积分布密度函数,获得了总接触载荷和真实接触面积之间的关系式。计算结果表明：单个微凸体的临界接触面积与其尺寸相关,随着微凸体等级的增大,微凸体的高度和峰顶曲率半径减小。微凸体的变形顺序为弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形,与经典的赫兹模型保持一致。粗糙表面的力学性能仅与最小等级及后续的6个等级微凸体相关,其余微凸体基本上对整个粗糙表面的力学性能影响很小。最后对粗糙表面的接触力学性能进行了试验测试,验证了该模型的合理性与正确性。

基于分形理论,建立了粗糙表面加卸载接触力学模型,推导出了单个微凸体弹性、弹塑性以及塑性变形的存在条件,获得了对应条件下微凸体加、卸载的力学表达式。根据加载终点与卸载起点真实接触面积和总接触载荷不变规则,对传统的微凸体面积密度分布函数进行变换,分别给出了加、卸载接触过程中不同频率指数微凸体的面积密度分布函数,最终得到了加、卸载接触过程中粗糙表面真实接触面积与总接触载荷之间的关系。结果表明在一个加、卸载接触循环内,粗糙表面加、卸载接触的力学性质取决于微凸体频率指数的范围;当微凸体的最小频率指数[WTBX]nmin与临界弹性频率指数nec的关系满足nmin+5≤nec时,粗糙表面在整个加卸载接触过程中呈现弹性性质;当nmin>nec、接触下压量大于微凸体自身临界下压量发生弹塑性变形时,在相同的总接触载荷条件下,卸载过程中

为探讨口腔加工时间对典型高脂高糖食品的摩擦性能影响,开展口腔环境下巧克力摩擦性能的影响因素研究。以人工唾液和某品牌巧克力配制不同巧克力质量分数的混合溶液,改变聚二甲基硅氧烷(PDMS)基础液和固化剂的比例分别制备硬PDMS和含微凸体的软PDMS材料,基于陶瓷球对软PDMS和硬PDMS对软PDMS的两组摩擦副,在MFT-5000摩擦试验机上开展混合溶液在不同载荷和滑动速率的摩擦性能研究,讨论混合溶液与摩擦副的作用机制。结果表明巧克力在口腔加工过程的摩擦性能与其质量分数、载荷、滑动速率和摩擦副等因素有关,随着巧克力质量分数的降低,巧克力的摩擦因数总体上是减小,这意味着消费者能够获得更好的丝滑感;载荷和滑动速率对巧克力摩擦性能的影响与摩擦副的选取有关,但滑动速率比载荷对其摩擦因数的影响更显著,研究结果为巧克力摩擦性能和口感的

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究. 首先, 根据KE 模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析, 获得了微凸体在3 个变形阶段的黏滑特性; 然后, 基于GW 统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上, 考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型; 最后, 分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响. 研究表明： 结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大, 随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小; 在高频率、大幅值下, 结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关. 为了验证模型的准确性, 构建了动态切向力作用下的结合面切向阻