機械結(jié)合面切向接觸阻尼的理論計算模型研究.pdf

1、結(jié)合面普遍存在于機械結(jié)構(gòu)中。對于像動力機械、機床等由剛性零件組成的機構(gòu)，其總阻尼值的90％以上來源于結(jié)合面阻尼。結(jié)合面阻尼包含法向阻尼和切向阻尼，它們對機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、振動性能有著重要的影響。因此，研究結(jié)合面的阻尼對研究機械結(jié)構(gòu)的整體阻尼具有重要意義，同時也為利用結(jié)合面阻尼進行機械結(jié)構(gòu)振動的被動控制提供手段。以往人們大多釆用實驗的方法進行研究，雖然近年理論計算研究取得一些進展，但都是基于等效粗糙表面接觸假設(shè)。本文圍繞機械結(jié)合面切

2、向接觸阻尼的理論計算問題，考慮在法向載荷和切向載荷的共同作用下，以基本微觀接觸模型為基礎(chǔ)，分別建立單粗糙表面接觸、雙粗糙表面接觸和考慮微凸體相互作用的雙粗糙表面接觸的切向阻尼理論計算模型。主要研究成果及創(chuàng)新性貢獻如下。
　?。?）在單粗糙表面假設(shè)下，提出了一種在微凸體法向彈性、彈塑性和塑性變形機制基礎(chǔ)上，考慮結(jié)合面黏滑摩擦行為的結(jié)合面切向接觸阻尼計算模型?；诘刃Т植诒砻娼佑|假設(shè)，結(jié)合Mindlin和Fujimoto理論，推導(dǎo)出不

3、同階段下微凸體在一個振動周期內(nèi)的能量耗散，進而應(yīng)用概率統(tǒng)計理論得到結(jié)合面等效粘性阻尼，建立接觸阻尼計算模型；對無量綱化后的接觸模型進行MATLAB仿真，分析了結(jié)合面法向載荷、切向激振頻率、切向動態(tài)位移幅值、摩擦系數(shù)、硬度和粗糙度對結(jié)合面切向接觸阻尼的影響。研究表明：結(jié)合面切向接觸阻尼與法向載荷、激振頻率、動態(tài)相對位移幅值、硬度和粗糙度之間存在顯著的非線性關(guān)系，與摩擦系數(shù)之間存在著近似線性的關(guān)系。結(jié)合面切向接觸阻尼隨著法向載荷的增大而增大

4、；在低頻率、小幅值下，結(jié)合面切向接觸阻尼隨著動態(tài)位移幅值和激振頻率的增大而減小，在高頻率、大幅值下，結(jié)合面切向接觸阻尼幾乎與動態(tài)位移幅值和激振頻率無關(guān)；結(jié)合面切向接觸阻尼隨著摩擦系數(shù)的增大而增大，隨著硬度的增大而減小；在粗糙度較小時，結(jié)合面切向接觸阻尼隨著粗糙度的增大而迅速增大，當(dāng)粗糙度較大時，結(jié)合面切向接觸阻尼隨著粗糙度增加的變化幅度變小。
　　（2）在單粗糙結(jié)合面切向接觸阻尼模型的基礎(chǔ)上，通過考慮微凸體側(cè)接觸，提出了雙粗糙結(jié)合

5、面切向接觸阻尼模型。引入傾斜角度θ，推導(dǎo)出微凸體接觸表面切向的能量耗散，引入小幅動態(tài)相對位移△δι1，推導(dǎo)出微凸體接觸表面法向的能量耗散，由此建立雙粗糙表面下的切向接觸阻尼計算模型。利用MATLAB進行仿真，將仿真結(jié)果與單粗糙表面假設(shè)的接觸阻尼模型進行對比，分析了在考慮微凸體側(cè)接觸情況下對接觸阻尼產(chǎn)生的影響。研究表明：考慮微凸體側(cè)接觸后，法向載荷對結(jié)合面切向接觸阻尼的影響規(guī)律與單粗糙結(jié)合面切向接觸阻尼模型大體一致，隨著法向載荷的增大，雙

6、粗糙結(jié)合面切向接觸阻尼逐漸大于單粗糙結(jié)合面切向接觸阻尼；激振頻率、動態(tài)相對位移幅值、硬度、摩擦系數(shù)和粗糙度對結(jié)合面切向接觸阻尼的影響規(guī)律與單粗糙結(jié)合面切向接觸阻尼模型一致，只是接觸阻尼值比單粗糙表面時更高。
　?。?）在雙粗糙結(jié)合面切向接觸阻尼模型的基礎(chǔ)上，提出了考慮微凸體相互作用的雙粗糙結(jié)合面切向接觸阻尼模型。將微凸體相互作用引入基本微觀接觸模型中，建立了考慮微凸體相互作用的雙粗糙結(jié)合面切向接觸阻尼模型，利用數(shù)值迭代方法對模型進

7、行求解，將仿真結(jié)果與單粗糙表面和雙粗糙表面假設(shè)的切向接觸阻尼模型進行了對比，分析了微凸體相互作用對接觸阻尼產(chǎn)生的影響。研究表明：引入微凸體相互作用后，法向載荷、激振頻率、動態(tài)相對位移幅值、硬度、摩擦系數(shù)和粗糙度對結(jié)合面切向接觸阻尼的影響規(guī)律與單粗糙表面和雙粗糙表面假設(shè)的結(jié)合面切向接觸阻尼模型一致，其接觸阻尼值介于二者之間。
　?。?）在結(jié)合面基礎(chǔ)特性參數(shù)的實驗平臺上，對磨削淬火加工的鑄鐵HT300配對結(jié)合面進行切向動態(tài)實驗，獲得了

8、結(jié)合面切向接觸阻尼與法向預(yù)載荷、切向激振頻率和切向動態(tài)相對位移幅值之間的實驗規(guī)律，并且將其與理論模型結(jié)果進行對比分析。研究表明：單粗糙接觸表面、雙粗糙接觸表面、考慮微凸體相互作用的雙粗糙接觸表面的切向接觸阻尼模型與實驗所得的結(jié)果具有相同的變化規(guī)律，單粗糙表面和雙粗糙表面假設(shè)的切向接觸阻尼隨各因素變化規(guī)律的幅度與實驗結(jié)果偏離較大，而考慮微凸體相互作用的雙粗糙表面假設(shè)的切向接觸阻尼隨各因素的變化規(guī)律在數(shù)值上與實驗結(jié)果更加接近，從而驗證了考慮