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关键词： 间隙   约束   冲击振动   周期运动   分岔特性  

摘要： 机械系统由于设计、加工、安装中的需要,系统中必然存在间隙和约束。间隙和约束的存在使得系统成为了分段光滑系统。在激振力的作用下产生冲击振动,使得系统表现出丰富的动力学特性。其中非周期运动、大振幅运动、噪声、过度磨耗等现象的发生,会对整个机械系统的稳定运行产生重要影响。为了优化此类系统的动力学特性,这就需要从系统层面了解此类含间隙、约束的机械振动系统非线性动力学特性,对系统参数进行动态优化设计。为此,论文开展了以下研究:(1)分别建立了含刚性、弹性、非线性赫兹三种约束的含间隙两自由度受迫振动系统的力学模型。通过多目标、多参数协同仿真在(ω,δ)-双参数平面获得了含不同约束模型的周期运动的种类、存在区域、分岔特性、低频率域运动特性及基本周期运动转迁过程中存在的两类转迁区域。利用Lyapunov指数谱验证了仿真结果的可靠性。此外,在相同系统参数条件下,比较了不同约束下系统动力学特性的异同,发现其中高频率域周期运动的模式类型和分布区域大致相同,在低频率、小间隙参数条件下存在显著差异。刚性约束条件下,低频率、小间隙参数域存在基本周期运动群p/1,颤振运动p/1,以及粘滞运动p/1。弹性约束条件下,低频率、小间隙参数域无粘滞运动的存在区域,基本周期运动群p/1(p≥2)的带状域随着冲击次数p的增大显著收窄,混沌运动占据了较大区域,在极低频率域,主要为碰撞次数极高的基本周期运动(p ≥10)。非线性赫兹约束条件下,低频率、小间隙参数域基本周期运动群p/1(p≥2)的带状域的分布与弹性约束条件下类似,同时也不存在粘滞运动的存在域。在极小频率域范围基本周期运动1/1、2/1占据了较大区域,混沌运动区域相对减少。(2)针对塑性冲击这一特殊冲击模式,建立了双质块塑性成型机的动力学方程。运用多参数、多目标协同仿真研究了成型机发生塑性冲击的动力学特性,揭示了不同参数对系统运动特性的影响。研究结果表明:塑性冲击下未发生非完全和完全颤碰振动,仅出现粘滞和非粘滞类周期振动,该类运动在整个参数域毗邻分布。发现相邻非粘滞振动n-1-0和粘滞振动n-1-1可以相互转迁且可逆,由此相邻粘滞和非粘滞振动间不出现两类转迁域—迟滞域和舌形域,但是相邻非粘滞n-1-0运动与非粘滞(n+1)-1-0运动、粘滞n-1-1运动与粘滞(n+1)-1-1运动相互转迁具有不可逆性,在这两类不同的运动间形成了舌形域,域内存在亚谐周期振动。通过改变系统参数的大小研究其对系统动力学特性的影响,得出阻尼系数ζ和阻尼分布比μc对系统动力学特性的影响具有相似性,系统发生的周期运动类型和分岔形式基本保持不变,刚度分布比μk和质量分布比μm对系统运动特性影响显著,系统出现了非碰撞周期振动,激振力分布比f20严重影响了周期振动的分布区域,改变了单碰粘滞振动1-1-1的运行窗口。(3)在含间隙碰撞振子冲击动力学研究的基础上,研究了不平衡悬臂转子系统的动力学特性。基于系统参数,通过多参数、多目标协同仿真得到不平衡悬臂转子系统的一系列动态响应图,揭示了系统参数和转子系统动力学响应的关联关系,并通过最大冲击力矩和占空比分布图具体表征了系统发生冲击振动的激烈程度和持续占比。研究结果表明:重力系数G对悬臂转子系统的运动类型和分布区域产生了显著的影响,为减小系统冲击,延缓转子系统疲劳损伤,保证系统运动的平稳性,在悬臂转子设计中应选用较小的重力系数G<1,在此基础上进一步匹配合理的刚度系数K、偏心率ρ、阻尼系数ζ和极转动惯量Jp。刚度系数K、偏心率ρ、阻尼系数ζ和极转动惯量Jp主要对悬臂转子较高转速范围内的运动类型和分布区域产生影响,本转子模型在实际工程中应匹配较小的冲击刚度系数K<1,较小的偏心率ρ<0.4,较大的阻尼系数ζ>0.02和较小的极转动惯量Jp<0.1。

关键词： 激光表面改性   涂层   7075铝合金   止裂行为   耐磨性能  

摘要： 铝合金由于密度低、比强度高、导热系数高和成型性好等优点,被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶运输等工业制造领域,但由于铝合金表面较低的硬度、强度和耐磨性较差等因素限制了其应用范围。为提升铝合金表面硬度及耐磨性能,采取的高效且经济的做法是制备金属-陶瓷复合涂层,但高强度涂层和软质金属基体结合区常成为裂纹萌生高发区致使涂层开裂。针对该问题,本文设计了三种多步激光工艺(激光熔凝-熔覆两步激光、激光熔凝-熔覆三步激光、局部激光合金化后激光熔覆)在7075铝合金表面获得具有类“钉扎”结构的涂层,利用高能量密度激光制备具有一定间距的深熔单元,该深熔单元具有较高强度及硬度,使得深熔单元与基体呈现软硬相间的分布特征。该分布特征利用高塑性的软质铝合金基体缓释结合区应力,降低裂纹形核几率,与此同时利用深熔单元增强涂层与基体间的结合区强度,提高该区抑制裂纹扩展的能力,以此强化硬质涂层与软质基体间的结合。通过拉伸试验深入探究了类“钉扎”结构涂层的结合性能以及结合区抑制裂纹扩展机理;结合磨损实验进一步分析了类“钉扎”结构涂层在摩擦过程中的应力分布特征,阐明了类“钉扎”结构涂层的摩擦磨损机理。主要研究内容如下:(1)类“钉扎”结构涂层的强韧性和止裂机理研究。研究了CeO含量对类“钉扎”结构CeO-SiC-Ni60涂层强韧性的影响。结果表明:随着CeO的添加形成的涂层组织更为致密,稀土氧化物中的Ce元素会促进熔池间的流动性使其减少缺陷,减少组织偏析;且Ce使得晶粒细化,对涂层起到了细晶强化作用;SiC陶瓷颗粒的添加,相组成发生变化,形成硬质相,对涂层起到弥散强化及第二相强化,导致裂纹扩展过程中所消耗的能量增加,提高材料抵抗裂纹扩展的能力;另外,深熔单元受到高能量密度激光作用,晶粒得以细化,增多的晶界组织在裂纹高发的涂层与基体结合区起到了抑制裂纹扩展的作用。相比于熔凝深熔单元,Ni60合金化深熔单元通过减小涂层与基体间的热物性差异,降低了该区域裂纹敏感性,且在激光作用下Ni与Al会形成稳定的金属间化合物具有较高的硬度,提高了涂层与基体间的结合性,进一步提升涂层与基体的结合强度。(2)类“钉扎”结构涂层耐磨损性和磨损机理研究。通过改变深熔单元和涂层组织获得结合强度较高的CeO-SiC-Ni60高耐磨涂层。结果表明,通过激光熔凝-熔覆三步激光所制备的类“钉扎”结构涂层可进一步缓释结合区应力,随着SiC含量的增加其显微硬度及摩擦系数也随之发生变化,硬度呈现先增加后减小趋势,而摩擦系数表现为先降低后增加,在SiC含量为30%时硬度及耐磨性能最优。另外,通过局部合金化Ni60制备的类“钉扎”结构涂层组织发生细化,硬度较未处理试样明显提升,在不同的磨损阶段,耐磨性能均得到改善,延长了试样的使用寿命。

关键词： SPH   单晶硅   超精密切削   激光辅助  

摘要： 单晶硅作为典型的半导体材料,在光伏发电、芯片制造等领域应用十分广泛。但传统加工方式效率低,单晶硅在加工过程中很容易产生细微裂纹,从而影响表面加工质量。激光辅助加工LAM（Laser-assisted machining）可以软化代加工区域,有效减小切削力,延长刀具寿命,抑制裂纹的产生,从而提高材料表面加工质量。 本文以激光辅助条件下的单晶硅超精密车削为研究对象,探讨单晶硅在激光加热条件下的裂纹扩展及刀具磨损机理。首先,利用光滑粒子流体动力学SPH（Smooth partic le hydrodynamics）模拟单晶硅在高温条件下切削时裂纹形成的动态过程,然后通过高温下的压痕实验,探究单晶硅在不同温度下的脆塑转变及细微裂纹形成机理,最后通过正交实验研究加工参数对裂纹影响因素及刀具磨损机理。论文主要内容如下: （1）单晶硅激光加热光滑粒子流体动力学车削仿真:利用LS-DYNA软件建立单晶硅车削模型,设置本构模型、边界条件、接触方式等参数,模拟了高温下的单晶硅车削瞬间过程,动态展示裂纹形成及扩展过程,根据不同温度下的裂纹变化过程、残余应力及切削力探究最佳切削参数。 （2）单晶硅高温压痕塑性形变及裂纹扩展:在常温至600℃范围内对单晶硅进行压痕实验,通过单晶硅在不同温度下的压痕形貌,分析温度对裂纹扩展的影响;探究不同温度下单晶硅的裂纹长度和脆性断裂特性。 （3）单晶硅激光辅助超精密车削实验:通过正交实验,在不同的激光功率、转速、背吃刀量、进给量条件下研究材料的裂纹扩展、表面粗糙度、和切削形态等,最终得出最优加工参数:激光功率P=7W,转速N=2000r/min,切削深度Dc=4μm,进给量f=2mm/min。并分析了金刚石刀具在激光辅助加工时不同车削路径及激光功率下的磨损情况。

关键词： 刚性接触网   拉出值布置   浸金属碳滑板   摩擦磨损  

摘要： 受电弓滑板与刚性接触网接触线组成的弓网滑动电接触,是城轨列车普遍采用的供电形态,其服役性能直接关系到列车运行的可靠性和安全性。为增加受电弓滑板的使用寿命,接触网通过拉出值实现弓网接触点沿滑板中心线左右运动。但在长期的运行过程中,弓网系统出现了受电弓滑板磨损表面形状不均匀、局部区域磨损率较高等磨损问题,将会降低城轨交通弓网系统的耐久性和可用性。 本文针对刚性接触网布置对浸金属碳滑板摩擦磨损的影响,分析了弓网接触副摩擦磨损机理,研究了拉出值布置方式对滑板磨损形貌的影响。结果表明,采用正弦波布置方式时,滑板中部磨损轻微,但在拉出值极限处滑板磨损严重;采用V型布置时,滑板中部磨损较重,但拉出值极限处磨损情况好于按正弦波布置方式。为了进一步研究接触线横向偏移对浸金属碳滑板载流摩擦磨损的影响,搭建了摩擦等效试验装置,使用直线电机作为拉出值模拟装置的驱动设备,实现对拉出值参数的精确控制。 基于等效试验装置,本文将浸金属碳滑板与铜银合金接触线作为摩擦副进行了不同接触线横向偏移条件下的摩擦试验。研究分析了不同条件下的滑板垂向振动变化规律、温升变化、电接触特性以及摩擦磨损特性。试验表明,在拉出值极限处,滑板振动加速度约为20m/s2,是其横向匀速运动时的4倍,拉出值大小与接触线横向运动速度的增加会加大滑板的垂向振动加速度均方根;载流条件下滑板最大温升为33.4℃,接触线横向偏移主要通过影响滑板散热效率与热量作用时间来影响接触点温度,拉出值范围内滑板温度分布较为均匀,但拉出值极限处接触点温度高于滑板中部温度约8℃;接触线横向偏移主要通过影响接触副振动、温度与导电斑点数量来间接影响弓网电特性。 拉出值极限处滑板表面机械磨损程度严重。随着拉出值的增加,电弧放电能量增加,但滑板单位面积的烧蚀坑数量减少;接触线横向速度的增加对电弧放电程度几乎无影响。拉出值的增加会增加滑板表面划痕的深度与宽度;接触线横向速度的增加会提高滑板表面微小划痕的密集程度,但划痕总体较浅,深度小于10μm。非载流条件下滑板磨损量范围为0.04g～0.12g,拉出值的增加会降低滑板磨损量,接触线往复速度的变化对滑板磨损量几乎无影响;载流条件下,滑板磨损量范围为0.26g～1.35g,磨损量随着拉出值与接触线往复速度的增加而降低,载流条件下滑板主要以电气磨损为主,接触线横向速度主要通过影响电气磨损来影响滑板磨损量。

关键词： 缠绕提升钢丝绳   振动磨损   润滑状态   矿物粉尘   性能退化  

摘要： 矿井多层缠绕提升钢丝绳服役过程中,其长度的时变性以及提升加速度的波动使其不可避免产生纵向振动,从而加速钢丝绳缠绕接触间的摩擦磨损,进而降低其服役寿命,严重威胁提升安全。此外,提升钢丝绳服役环境复杂、恶劣,润滑不良及矿物粉尘污染等工作条件在所难免,恶劣的运行环境极易加速缠绕接触钢丝绳的表面磨损,再加上振动效应,最终引起其力学性能快速退化。因此,开展矿井缠绕提升钢丝绳振动磨损及性能退化特性研究,分析振动工况、润滑状态及矿物粉尘环境对缠绕提升钢丝绳振动磨损特性的影响规律,并掌握振动磨损钢丝绳的性能退化特性,能够为矿井缠绕提升钢丝绳选型、磨损状态识别、润滑状态维护及其性能评价提供基础理论支撑。本文以振动为切入点,首先,根据矿井提升钢丝绳缠绕接触特性,设计并搭建了缠绕提升钢丝绳振动磨损测试平台,并开展了充分润滑状态下两种典型结构钢丝绳振动磨损试验。结果表明,19×7型钢丝绳在充分润滑状态下摩擦系数随滑动距离的增加可分为快速下降、缓慢下降和相对稳定三个阶段,而6×19+FC型钢丝绳则主要分为下降阶段、上升阶段和相对稳定阶段,且两种钢丝绳在相对稳定阶段的摩擦系数分别在0.14和0.17左右波动;在充分润滑状态下振动参数和滑动参数与两种结构钢丝绳的磨损程度均正相关,且振幅和张力的影响更大,钢丝绳的磨损机理以疲劳磨损为主。接着,鉴于钢丝绳服役润滑状态苛刻,探究了润滑不良状态下缠绕提升钢丝绳振动磨损特性。结果表明,在少脂润滑状态下,19×7型钢丝绳摩擦系数随着滑动距离的变化过程可分为快速下降、波动上升和相对稳定三个阶段,而6×19+FC型钢丝绳摩擦系数和最高温升在后期均呈现出快速上升的发展趋势,接触钢丝绳间逐渐转变为以干摩擦为主的运行状态;在干摩擦状态下,两种结构钢丝绳摩擦系数随着滑动距离的变化过程可分为快速上升、“凹”形过渡和相对稳定三个阶段(相对稳定阶段的摩擦系数在0.59左右波动),且当钢丝绳进入快速磨损阶段后,磨损区振动强度快速增大。振动参数与钢丝绳磨损程度正相关,且随着润滑状态由充分润滑恶化至干摩擦,钢丝绳的磨损机理转变为严重的磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损;19×7型钢丝绳具有比6×19+FC型钢丝绳更优异的抗振动磨损性能,可更好地应对恶劣的润滑状态和振动工况。然后,鉴于矿井提升钢丝绳时常服役于充满矿物粉尘的环境中,矿物粉尘混入润滑脂将干扰钢丝绳的正常润滑状态,因此,探究了矿物粉尘对缠绕提升钢丝绳振动磨损特性的影响规律。结果表明,煤炭颗粒浓度的增加致使钢丝绳摩擦系数因粘附效应增强而逐渐增加(相对稳定阶段的摩擦系数在0.16左右波动),且磨损程度呈现出递增的变化趋势,而煤炭颗粒尺寸对磨损的影响则不明显;此外,随着煤炭颗粒浓度不断增加,钢丝磨损表面C元素含量越来越多,粘附效应越来越严重,且剥层现象也越来越明显;矿石颗粒浓度的增加及尺寸的减小均导致钢丝绳接触表面磨粒磨损更加严重。最后,探究了振动工况、润滑状态及矿物粉尘环境对缠绕提升钢丝绳抗拉强度及弯曲疲劳寿命的影响规律,并揭示了其断裂失效机理。结果表明,振动工况会降低钢丝绳的抗拉强度及弯曲疲劳寿命,且随着振动参数逐渐增加,钢丝绳抗拉强度及弯曲疲劳寿命逐渐退化;此外,恶劣的润滑状态致使钢丝绳抗拉强度及弯曲疲劳寿命快速退化,而矿物粉尘的影响则较小;在拉伸载荷作用下钢丝的断裂机制为“微孔聚集断裂”,主要拉伸断裂机理为韧性断裂,且磨损的逐渐恶化使其韧性断裂特征越来越不明显;钢丝弯曲疲劳断裂机理主要为脆性断裂,此外,对于磨损钢丝,疲劳源区转移至磨损表面或次表面,裂纹扩展速度加快。该论文有图183幅,表23个,参考文献176篇

关键词： VH-CATT圆柱齿轮   粘着磨损   时变啮合刚度   非线性动力学  

摘要： 变双曲圆弧齿线圆柱齿轮(VH-CATT圆柱齿轮)是一种新型齿轮,具有渐开线齿轮的优点,又具有抗偏载能力强、对安装误差不敏感等优势,在航空航天、交通运输等机械装备传动中具有广阔应用前景。齿轮服役过程中,齿面磨损导致齿侧间隙增大、啮合刚度减小、振动和噪声增大,不仅影响齿轮的正常啮合,降低传动平稳性,又改变其动力学特性。故需对该齿轮的磨损特性和动态响应展开研究,力求做到减振降噪、减磨延寿、优化设计参数。针对以上问题,本论文将从以下四方面展开研究:(1)以一对VH-CATT圆柱齿轮为研究对象,基于齿面方程和齿廓方程,通过数值计算得到精确啮合齿面数据。分析齿轮副啮合点曲率及速度关系,带入齿轮基本参数得到凹凸齿面的主曲率、速度、相对速度和卷吸速度。(2)基于Archard磨损公式和Hertz接触理论,建立动态载荷分配模型和齿面磨损预估模型,计算齿面磨损深度。通过与其它文献结果进行对比验证此模型的正确性。引入安装误差,依次计算标准安装和非标准安装下的齿面磨损量,揭示安装误差和几何参数对齿面磨损量的耦合影响规律,探究其磨损特性。(3)用有限元方法求解出齿轮副在不同载荷下的时变啮合刚度,发现其是成周期性变化的。提出用高次拟合的方法代替齿侧间隙分段函数,得到连续光滑的多项式拟合曲线。用集中质量法建立考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、时变啮合阻尼、轴承间隙等强非线性因素的六自由度非线性动力学方程,用数值方法进行求解,作出不同工况下载荷、时变啮合刚度、啮合阻尼改变时系统的分岔图和最大李雅普诺夫指数图,探究其混沌分岔特性。作出特定时刻下系统的时间历程图、相图和庞加莱截面图具体分析。(4)建立考虑磨损效应的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮动力学模型,将齿面磨损以随机扰动量的方式引入时变啮合刚度中。将齿面磨损参数用正态分布的形式表现,针对载荷、时变啮合刚度、啮合阻尼等重要参数,作出系统不同磨损程度及不同工况下的系统分岔图,用控制变量法探究不同齿面磨损程度对系统混沌分岔特性的影响,并取特殊时刻,作出四种磨损情况下的时间历程图、相图和庞加莱截面图,以此来揭示齿面磨损对系统动态特性的内部影响规律。

关键词： 水下结构   钛合金销轴   滑动磨损   极限承载力  

摘要： 在船舶与海洋工程装备中，机械连接件的磨损性能好坏直接影响装备整体的可靠性与安全性。钛合金销轴由于具有低密度、高的比强度和好的耐蚀性等众多优点而被广泛应用于海洋设备、水下机器人、石油化工等领域。然而，由于钛合金材料本身具有较差的耐磨性，其销轴与异种金属间发生滑动磨损造成水下悬挂链安全轴断裂或海上平台连接器失效的情况时有发生。　　目前，大多数有关磨损的研究主要是通过销-盘和球-盘试验探究不同因素与改变材料微观结构对磨损性能的影响，或是利用数值模拟的方法对销盘和球盘进行接触特性分析，缺乏对销轴滑动磨损的试验与仿真结合分析研究。因此，本文以海洋工程中水下结构异种金属磨损后的极限性能问题为研究背景，基于磨损损伤理论及试验分析，通过TC4合金与CM690高强度钢柱-瓦滑动磨损试验，得到了两种金属在四种不同环境下的表面磨损形貌与相对磨损深度以及在四种变工况下摩擦系数的变化趋势，并为后续磨损仿真分析提供了输入条件;通过非线性柱-瓦磨损仿真分析，确定了在不同磨损条件下的磨损损伤;并据此研究了两种不同载荷形式下销轴的极限承载力演变规律，为水下磨损结构的安全评估提供了理论依据。研究内容如下：　　（1）磨损试验与仿真研究现状和磨损相关理论梳理。对摩擦磨损的销-盘和球-盘试验和滑动磨损仿真研究现状进行总结，并对有关磨损阶段划分和目前磨损分类机理以及磨损损伤理论模型等相关理论进行整理，为后续工作开展提供一定理论基础。　　（2）TC4合金与CM690高强度钢柱-瓦滑动磨损试验研究。针对工程中销轴与配合孔之间的轴向滑动的特点，本文选用柱-瓦摩擦副作为试验对象，滑动形式更加符合实际，试件更易加工;通过MDW-02高速往复式摩擦磨损试验机，得到两种金属在低温、蒸馏水、人工海水、干摩擦四种环境下的表面磨损形貌与相对磨损深度以及在变载荷、变温度、变频率、变介质工况下摩擦系数的变化趋势，并对造成结果的原因进行分析，为后续磨损仿真分析提供了部分输入参数。　　（3）验证接触状态，建立柱-瓦滑动磨损模型并进行仿真分析。针对试验中的摩擦副形式，本文在验证二者接触形式符合赫兹接触理论的基础上，结合Archard磨损模型和试验数据，对仿真软件中磨损模块参数进行了详细设置，建立了柱-瓦的1:1三维滑动磨损仿真模型，获取上试件柱的磨损体积，计算出对应工况的磨损量，将滑动磨损试验结果与磨损数值仿真进行对比，验证了磨损有限元方法的正确性。　　（4）磨损基础上，两种不同载荷形式下的销轴极限承载力计算。针对工程中由于磨损造成销轴失效的问题，本文参照两种不同的实际销轴载荷形式，建立了对应的局部接触有限元模型，以材料屈服强度作为销轴极限强度计算的失效准则，并划分四级磨损量进行销轴极限承载力的计算，得出了其许用极限承载力和累计使用时间随磨损量的变化关系，可为后续销轴的在线寿命评估应用提供一定的理论依据。