关于结合面接触刚度的微观仿真研究

对材料表面粗糙情况进行数值模拟及粗糙平面接触仿真识别结合面接触刚度,是表面的接触刚度特性研究中的基础和关键,工程应用前景广阔.实现方式是利用轮廓的算术平均偏差评定方式,在取样长度内,取轮廓偏距的绝对值算术平均值来形成凹凸峰,并取特殊的等腰三角形,考虑形状误差的影响,生成特定粗糙度粗糙曲面,并进行接触刚度仿真模拟,刻画出不同压力下的法向接触刚度,分析微观凹凸峰弹塑性对接触刚度的影响并与吉村允孝实验刚度曲线进行对比,并提出深入研究方向.     

带涂层干摩擦阻尼器的分子动力学仿真

从纳米级微凸体间的剪切运动出发研究干摩擦阻尼器摩擦机理。采用更加精确的多体势,建立描述两个可变形半球状微凸体剪切运动过程的分子动力学模型。应用该模型分析了单晶铜微凸体剪切运动过程中切向力和法向力随相对位移、干涉深度和微凸体半径的变化规律,同时研究了剪切过程结束后剩余变形能的变化。通过多尺度分析和统计学工具,建立了干摩擦模型的微凸体模型,并与实验结果进行对比。研究表明:单晶铜在真空中发生干摩擦时,结合面的表面法向接触刚度与法向载荷成正比,滑动摩擦因数只与表面粗糙度参数有关。计算结果与纯铜摩擦实验结果相吻合,证明该方法可准确地分析覆盖涂层的干摩擦阻尼器工作面干摩擦特性,对于已知微观参数的表面,能够准确地预测滑动摩擦因数。      

一种新型的非接触的变形场测量技术

数字散斑相关方法(DSCM)是一种新型非接触变形场测量技术。散斑是相干光被光学粗糙面或不均匀媒介散射而在空间形成的随机分布的光强场,它具有颗粒状特点。可认为物体表面随机分布着许多粒子,粒子在光照射下,反射光形成特有的光强场。DSCM是通过测量物体变形前后光强场概率统计相关性来确定物体变形。首先用光源照射试样,试样表面形成特定散斑图样,可用某一点周围微区内散斑子集的变形描述这一点的变     

一种基于有限元法和弹性接触理论的齿轮啮合刚度改进算法

提出了一种将有限元法和弹性接触理论相结合的齿轮啮合刚度计算方法.该方法利用子结构法提取齿面原始柔度矩阵并分离出接触点弯曲变形,根据线弹接触变形解析公式计算接触变形,通过求解非线性变形协调方程得到齿轮时变啮合刚度和齿面载荷分布.以一对齿轮副为例,计算的啮合刚度与航空标准计算结果相差在6%以内.该方法发挥了有限元法在预测物体整体变形方面的优势,同时结合弹性接触理论能够准确计算局部接触变形的优点,与常规有限元法相比,能够有效地提升计算效率.由于接触变形问题的非线性,啮合刚度随总啮合力增加呈现非线性增大的趋势.      

2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测

通过提取2.5维C/SiC复合材料经纱边界曲线,采用鲁棒最小二乘拟合得到了经纱轴向函数表达式,对拟合后的曲线进行合理简化,建立了参数化的2.5维C/SiC复合材料的有限元模型.采用双尺度模型对2.5维C/SiC复合材料进行刚度预测,分别为考虑纤维/基体/孔隙的微观尺度和考虑经纱/纬纱/孔隙的单胞尺度模型,刚度预测的方法采用刚度平均法和能量法.最后讨论了微观尺度的孔隙率对2.5维C/SiC复合材料弹性模量的影响.结果表明,刚度平均法和能量法的计算结果差异较小,考虑微观孔隙率后,计算结果与试验结果吻合得更好.      

基于格子Boltzmann方法表面形貌对微通道对流换热的影响

为推动微通道冷却技术在航空发动机中的应用,进一步提高航空发动机性能,本文通过扫描电子显微镜、粗糙度扫描仪等多方式扫描得到实际加工物体表面形貌,结合分形理论进行处理,得到真实、光滑、分形插值、康托尔集四类圆形截面管模型,管径100μm~400μm;采用格子Boltzmann方法进行数值模拟,首先通过与文献中实验结果的对比,验证了此方法的正确性,然后对空气在这四类圆形截面微通道中的对流换热特性进行了数值模拟,计算雷诺数Re范围80~640;结果发现：表面形貌是微通道中对流换热不可忽略的因素,相对粗糙度越大越有利于换热,真实扫描管的换热性能要比相同条件下光滑管高2.22%;分形理论可用于微通道表面形貌的构建,在相同迭代次数下,分形插值模型与真实扫描形貌换热性能相差0.03%,而康托尔集模型与真实扫描形貌换热性能相差1.88%,分形插值模型较康托尔集模型更能真实地反映实际形貌;微通道中,随着雷诺数的增加Nu将不再是常数,而是有增加的趋势。     

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。     

硬夹心夹层板反对称变形

考虑面板和夹心的横向剪切刚度与弯曲刚度,基于小变形和变形协调性的假设,引入5个广义位移以描述夹层板的变形,采用广义变分原理,推导了各向同性材料夹层板的2个面内变形和1个横向变形的基本方程。以四边简支、受横向均布载荷作用的矩形夹层板为例,对比计算了夹心弹性模量和面板厚度的变化对计算结果的影响,并与基于Reissner理论和H.J.Hoff理论的夹层板模型的计算结果进行对比,结果表明,考虑面板和夹心的横向剪切刚度和抗弯刚度可以有效地提高夹层板弯曲变形的计算精度。     

计及不确定性因素的结合面参数识别

结合面参数识别是复杂结构动力学建模的关键问题。由于连接结构的接触面的大小、摩擦系数，以及安装预应力等相关参数存在不确定性，本文提出把连接结构的接触刚度及接触阻尼作为随机分布参数处理，并使用基于响应面法的模型修正方法和分布代数方法进行识别，方法可行，便于实际工程应用。研究表明，连接结构参数具有正态分布或近似正态分布的特点；用线性有限元模型加上具有正态分布的接触刚度、接触阻尼模型可以描述真实结构的动态特性。     

基于接触刚度分布特性的叶片振动响应分析

根据接触刚度在锯齿形叶冠结合面上非均匀分布的特性,提出一种基于定义和有限元计算相结合的接触刚度计算方法。在此基础上,将微-宏滑动摩擦模型作为叶冠结合面处的摩擦模型,推导微滑动和宏滑动状态下摩擦力表达式。利用谐波平衡法将非线性摩擦力转化为等效刚度和等效阻尼进行振动特性分析。针对叶冠结合面相对位移幅值动态变化的特点,提出了一种迭代求解的振动响应分析方法。与文献提供的带摩擦阻尼结构悬臂梁振动响应实验数据相比,共振峰附近的振幅误差为1.99 mm,相对误差为3.9%。振幅的最大误差为5.53 mm,出现在远离共振峰的位置,验证了响应分析方法的可行性。将该方法应用于带冠叶片上,结果表明当激振力频率为812.3 Hz时,振幅为0.56 mm。     

双盘三支撑转子轴承系统松动-碰摩耦合故障分析

针对由于支座松动而引起松动-碰摩耦合故障的转子-轴承系统,建立了双盘三支撑的松动-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型.基于非线性有限元方法,使用松动端等效刚度模型及接触理论研究了碰摩刚度和松动刚度两个重要参数对系统动力学特性的影响.通过对在不同碰摩刚度及不同松动刚度条件下的系统动力学特性的研究,发现松动-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,并且时域波形高矮峰交替出现,轴心轨迹呈现“梯形”,这一特性可以作为诊断松动-碰摩耦合故障的一个依据.      

套齿连接转子简化建模及动力特性分析

在进行转子和整机计算时建立套齿结构接触模型会增加计算量，降低计算效率，直接将套齿结构省略又无法体现其刚 度特性变化对转子动力特性的影响。针对该问题，基于航空发动机单圆柱面套齿连接的结构和力学特征，建立了考虑构件间界面 接触状态的力学特征分析模型，提出了考虑套齿结构刚度随参数变化的简化建模方法，并与套齿接触模型进行了对比分析。建立 了单圆柱面套齿连接结构转子简化模型，开展了相应的转子动力特性试验，对比分析了拧紧力矩对转子模态频率的影响。结果表 明：转子简化模型与试验模型最大计算误差小于5%，证明套齿结构简化建模方法具有较高的可靠性和准确性，可为工程实践中高 效开展含套齿结构转子及整机动力学准确计算分析提供方法与参考。     

A novel virtual material layer model for predicting natural frequencies of composite bolted joints

A novel virtual material layer model based on the fractal theory was proposed to predict the natural frequencies of carbon fiber reinforced plastic composite bolted joints. Rough contact surfaces of composite bolted joints are modeled with this new proposed approach. Numerical and experimental modal analyses were conducted to validate the effectiveness of the proposed model. A good consistence is noted between the numerical and experimental results. To demonstrate the necessity of accurately modeling the rough contact surfaces in the prediction of natural frequencies, virtual material layer model was compared with the widely used traditional model based on the Master-Slave contact algorithm and experiments, respectively. Results show that the proposed model has a better agreement with experiments than the widely used traditional model (the prediction accuracy is raised by 8.77% when the pre-tightening torque is 0.5 N∙m). Real contact area ratio A* of three different virtual material layers were calculated. Value of A* were discussed with dimensionless load P*, fractal dimension D and fractal roughness G. This work provides a new efficient way for accurately modeling the rough contact surfaces and predicting the natural frequencies of composite bolted joints, which can be used to help engineers in the dynamic design of composite materials.     

长拉杆-止口连接弯曲刚度损失及对转子系统振动响应影响

航空燃气轮机为了实现高负荷、轻质化的追求,在转子结构设计中,趋向于提高转速和加大长径比。这使得转子系统弯曲模态临界转速降低,转子在工作转速范围内不可避免会产生一定的弯曲变形。转子弯曲变形会影响连接结构界面接触特性的变化,使其连接结构局部弯曲刚度产生损失。因此,对于工作转速靠近弯曲临界的高速转子系统,需要考虑连接结构界面接触状态变化对转子系统振动特性的影响。以高负荷的长拉杆-止口连接转子系统为对象,分析连接界面接触应力分布特性,提出连接结构弯曲刚度损失修正方法,以此为基础建立界面连接转子动力学模型。通过对止口连接三级轴流压气机转子结构动力学特性的仿真和试验研究表明,在靠近弯曲振型临界转速下,转子连接界面接触状态的变化会产生弯曲刚度损失,对转子动力学特性具有显著影响。     

带止口法兰连接结构刚度特性对结构振动影响

对带有止口的法兰连接结构刚度特性进行了数值仿真研究。使用有限元软件ANSYS分析了带有止口的法兰连接结构的迟滞特性。通过对止口接触面的变形-滑移机理分析,使用一个詹金斯单元和一个弹簧单元并联模拟法兰的一个扇区,并基于法兰弯曲变形时每个扇区的不同状态建立了整个法兰结构的弯曲刚度简化模型,并对该简化模型进行了仿真,该简化模型能够较准确地模拟带止口法兰连接结构的刚度特性。基于简化模型和梁单元建立了简化转子结构模型,分析了带有止口的法兰连接结构对转子稳态动力学响应的影响。结果表明带有止口的法兰连接结构的迟滞特性能够影响峰值频率,随着止口过盈量的增加,响应峰值显著降低,具有较好的振动抑制效果。      

止口螺栓连接结构解析建模与阻尼特性分析

针对止口螺栓连接,论文从连接结构轴向拉压力学行为分析出发,提出了可模拟连接非线性刚度和阻尼耗散的扇区模型,基于此进一步构建了弯矩载荷下的非线性解析模型。通过与三维实体有限元模型计算结果的对比分析,验证了所提出模型的有效性,并揭示了连接的非线性刚度特性和迟滞阻尼特性。基于所提出模型研究了关键参数对止口螺栓的阻尼特性的影响规律,结果表明:连接的阻尼耗散能力随弯矩载荷幅值和摩擦因数的增加呈现先增加后降低趋势,而随止口紧度和法兰长度的增加单调增加;法兰长度除对连接的阻尼耗散存在一定影响外,还能显著降低连接结构的等效刚度。      

基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法

接触刚度和阻尼是影响螺栓连接的装配结构动力学特性的关键参数,为了实现接触刚度和阻尼的同时识别,在前期开展的螺栓连接结构接触刚度识别的基础上,提出一种基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法。通过在单螺栓连接结构中巧妙引入试验垫片,通过试验获得有界、对称且均匀接触状态下结构的固有特性与动态响应;进而建立模拟接触面刚度与阻尼的薄层单元,并仿真获得结构的动态响应特性;通过结构固有频率测试与仿真结果构建误差函数实现接触刚度识别,通过动态响应测试与仿真结果构建误差函数实现接触阻尼的识别,进而获得接触刚度与阻尼随接触法向力变化的模型。结果表明,接触刚度随法向力非线性增大而接触阻尼则非线性减小,当法向力较大时,接触刚度和阻尼趋于稳定。研究结果为接触刚度和阻尼的同时识别提供了一种行之有效的方法,识别平均误差分别为4.5%、14.8%,所识别的刚度和阻尼以合适的薄层单元形式,可直接应用到包含多接触面的装配系统动力学分析中。     

单圆盘转子非线性振动模型及机理

根据转子非线性振动的力学性质及大变形假设,结合工程实际构建了转子非线性振动具有Duffing方程形式的力学模型,推导了非线性系统的等效频率和频响方程,研究了刚度元件、阻尼元件与非线性元件对系统振动的影响.通过单圆盘转子非线性振动实验,验证了非线性振动模型结构与Duffing方程求解及频响方程的合理性与有效性,揭示了共振、突变、滞后等非线性现象的机理,为转子振动特性分析提供了一种新的研究方法.