机械结合面切向接触阻尼的理论计算模型研究

发布时间：2018-04-28 19:15

本文选题：结合面 + 微凸体　；参考：《西安理工大学》2017年硕士论文

【摘要】：结合面普遍存在于机械结构中。对于像动力机械、机床等由刚性零件组成的机构,其总阻尼值的90%以上来源于结合面阻尼。结合面阻尼包含法向阻尼和切向阻尼,它们对机械结构系统的动态响应、振动性能有着重要的影响。因此,研究结合面的阻尼对研究机械结构的整体阻尼具有重要意义,同时也为利用结合面阻尼进行机械结构振动的被动控制提供手段。以往人们大多采用实验的方法进行研究,虽然近年理论计算研究取得一些进展,但都是基于等效粗糙表面接触假设。本文围绕机械结合面切向接触阻尼的理论计算问题,考虑在法向载荷和切向载荷的共同作用下,以基本微观接触模型为基础,分别建立单粗糙表面接触、双粗糙表面接触和考虑微凸体相互作用的双粗糙表面接触的切向阻尼理论计算模型。主要研究成果及创新性贡献如下。(1)在单粗糙表面假设下,提出了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑结合面黏滑摩擦行为的结合面切向接触阻尼计算模型。基于等效粗糙表面接触假设,结合Mindlin和Fujimoto理论,推导出不同阶段下微凸体在一个振动周期内的能量耗散,进而应用概率统计理论得到结合面等效粘性阻尼,建立接触阻尼计算模型;对无量纲化后的接触模型进行MATLAB仿真,分析了结合面法向载荷、切向激振频率、切向动态位移幅值、摩擦系数、硬度和粗糙度对结合面切向接触阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼与法向载荷、激振频率、动态相对位移幅值、硬度和粗糙度之间存在显著的非线性关系,与摩擦系数之间存在着近似线性的关系。结合面切向接触阻尼随着法向载荷的增大而增大;在低频率、小幅值下,结合面切向接触阻尼随着动态位移幅值和激振频率的增大而减小,在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼几乎与动态位移幅值和激振频率无关;结合面切向接触阻尼随着摩擦系数的增大而增大,随着硬度的增大而减小;在粗糙度较小时,结合面切向接触阻尼随着粗糙度的增大而迅速增大,当粗糙度较大时,结合面切向接触阻尼随着粗糙度增加的变化幅度变小。(2)在单粗糙结合面切向接触阻尼模型的基础上,通过考虑微凸体侧接触,提出了双粗糙结合面切向接触阻尼模型。引入倾斜角度θ,推导出微凸体接触表面切向的能量耗散,引入小幅动态相对位移△δl1,推导出微凸体接触表面法向的能量耗散,由此建立双粗糙表面下的切向接触阻尼计算模型。利用MATLAB进行仿真,将仿真结果与单粗糙表面假设的接触阻尼模型进行对比,分析了在考虑微凸体侧接触情况下对接触阻尼产生的影响。研究表明:考虑微凸体侧接触后,法向载荷对结合面切向接触阻尼的影响规律与单粗糙结合面切向接触阻尼模型大体一致,随着法向载荷的增大,双粗糙结合面切向接触阻尼逐渐大于单粗糙结合面切向接触阻尼;激振频率、动态相对位移幅值、硬度、摩擦系数和粗糙度对结合面切向接触阻尼的影响规律与单粗糙结合面切向接触阻尼模型一致,只是接触阻尼值比单粗糙表面时更高。(3)在双粗糙结合面切向接触阻尼模型的基础上,提出了考虑微凸体相互作用的双粗糙结合面切向接触阻尼模型。将微凸体相互作用引入基本微观接触模型中,建立了考虑微凸体相互作用的双粗糙结合面切向接触阻尼模型,利用数值迭代方法对模型进行求解,将仿真结果与单粗糙表面和双粗糙表面假设的切向接触阻尼模型进行了对比,分析了微凸体相互作用对接触阻尼产生的影响。研究表明:引入微凸体相互作用后,法向载荷、激振频率、动态相对位移幅值、硬度、摩擦系数和粗糙度对结合面切向接触阻尼的影响规律与单粗糙表面和双粗糙表面假设的结合面切向接触阻尼模型一致,其接触阻尼值介于二者之间。(4)在结合面基础特性参数的实验平台上,对磨削淬火加工的铸铁HT300配对结合面进行切向动态实验,获得了结合面切向接触阻尼与法向预载荷、切向激振频率和切向动态相对位移幅值之间的实验规律,并且将其与理论模型结果进行对比分析。研究表明:单粗糙接触表面、双粗糙接触表面、考虑微凸体相互作用的双粗糙接触表面的切向接触阻尼模型与实验所得的结果具有相同的变化规律,单粗糙表面和双粗糙表面假设的切向接触阻尼随各因素变化规律的幅度与实验结果偏离较大,而考虑微凸体相互作用的双粗糙表面假设的切向接触阻尼随各因素的变化规律在数值上与实验结果更加接近,从而验证了考虑微凸体相互作用的双粗糙接触表面的切向接触阻尼模型的准确性和有效性。
[Abstract]:This paper studies the dynamic response and vibration performance of the mechanical structure system . Based on the assumption of equivalent rough surface contact , the energy dissipation of the micro - convex bodies in a vibration period is deduced . The contact damping with the tangential contact damping increases with the increase of the dynamic displacement amplitude and excitation frequency . In this paper , the influence of the tangential contact damping on the contact surface of the micro - convex bodies is deduced by taking account of the contact of the micro - convex bodies with the contact damping model . The results show that the influence of the normal load on the contact damping of the contact surface of the single rough surface is more than that of the single rough surface . ( 4 ) Based on the experimental platform of surface basic characteristic parameter , the experimental results of tangential contact damping and normal pre - load , tangential excitation frequency and tangential dynamic relative displacement amplitude are obtained .

【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH113

【参考文献】