應用熱彈塑性理論的結合部法向載荷分形模型

馮燕,俞小莉,劉震濤

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應用熱彈塑性理論的結合部法向載荷分形模型

馮燕1,2,俞小莉1,劉震濤1

粗糙表面接觸特性參數是影響機械產品靜、動態(tài)特性的關鍵因素,而法向接觸剛度與法向接觸載荷是機械結構靜態(tài)特性研究的重要內容,且法向載荷對接觸剛度具有明顯影響[1]。早先基于實驗統計學參數建立的接觸模型,由于基礎數據受測試儀器和樣本限制,其計算結果具有不確定性[2]。工程表面大多具有分形特征,應用分形理論對結合部的接觸行為進行研究,是接觸理論發(fā)展的必然趨勢[3]。針對結合部法向接觸載荷,Goerke[4]、溫淑花[5]、Jiang[6]、蘭國生[7]、宿月文[8]、田紅亮[9-10]等學者先后進行了一些研究。但是,這些研究都局限于純機械領域,沒有考慮結合部溫度及熱應力變化帶來的影響,而實際工作中,以內燃機為代表的機械產品往往處于變化著的熱環(huán)境中,溫度變化對接觸情況的影響是不容忽視的。

目前,溫度因素對彈塑性接觸力學行為的影響仍缺乏研究。劉天祥等建立了考慮屈服點溫度相關效應的粗糙表面熱彈塑性接觸無網格法數值計算模型,但該研究受限于儀器分辨率和采樣長度[11]。

綜合考慮以上情況,本文基于各向異性分形幾何理論的法向接觸載荷模型[9](以下簡稱TZQ模型),將其與熱彈塑性接觸理論建立的粗糙表面熱力學特性相結合,引入機械載荷比例系數,建立了一種新的熱彈塑性接觸法向載荷分形模型,并分析了結合部溫差對熱彈塑性接觸法向載荷的影響規(guī)律。

1 建立模型

機械結構的固定結合部問題從本質上來說是兩個粗糙表面的接觸問題,可簡化為粗糙表面與剛性平面的接觸[6],如圖1所示。從微觀上說,粗糙表面存在大量微凸體,接觸僅發(fā)生在微凸體上。因此,研究結合部整體的法向載荷問題,需要以單個微凸體的熱彈塑性接觸研究為基礎。

圖1 單個微凸體與剛性平面的接觸示意圖

1.1 單個微凸體熱彈塑性接觸的法向載荷

機械零部件之間一般通過螺栓、螺釘、銷釘、鍵等方式連接,當所處環(huán)境溫度發(fā)生變化或接觸的兩個零部件之間受熱狀況改變時,由于受原本連接的約束限制,在兩個接觸面間就會產生熱應力。熱應力問題與無熱載荷的應力分析問題相比,除了增加一項以初應變形式出現的溫度載荷外,其他完全相同。所以,可以將單個微凸體承受的法向載荷p分為機械載荷pm和由熱應力引起的載荷pt,即p=pm+pt。

在彈性變形階段,單個微凸體承受的法向彈性載荷

(1)

式中:由熱應力引起的法向載荷pte=σae,其中σ為由熱應力引起的單個微凸體微接觸截面上所承受的壓應力,ae為彈性變形階段單個微凸體的實際微接觸截面積。在接觸過程中,根據熱應力概念,σ=αE′ΔT[12],所以

(2)

(3)

根據文獻[9],單個微凸體承受的法向彈性機械載荷

(4)

將式(2)～式(4)代入式(1),得到考慮熱應力時單個微凸體承受的法向彈性載荷

(5)

在塑性變形階段,單個微凸體承受的法向塑性載荷

(6)

同理,由熱應力引起的法向載荷

(7)

式中:ap為塑性變形階段單個微凸體的實際微接觸截面積,此時ap與單個微凸體微接觸截面積a′的關系為[9]

(8)

由文獻[9]可知,單個微凸體承受的法向塑性機械載荷

(9)

式中:K為硬度與屈服強度之比,稱為相關因子,K=H/σy,其中H為較軟材料的硬度,σy為較軟材料的屈服強度。

將式(7)～式(9)代入式(6),得到考慮熱應力時單個微凸體承受的法向塑性載荷

(10)

為給出結合部熱彈塑性接觸問題法向載荷分形模型的另一種更簡潔的表達形式,引入機械載荷比例系數。若pte≠0,ptp≠0,設pme=f1αE′ΔTa′,pmp=f2αE′ΔTa′,其中f1為彈性變形階段機械載荷相比于熱載荷的比例系數(f1≠0),f2為塑性變形階段機械載荷相比于熱載荷的比例系數(f2≠0),比例系數越大則機械載荷占總載荷的比值越大。需要說明的是,f1和f2分別為彈、塑性變形階段某一特定情況下的比例系數,其值可能會隨著工況變化而改變。包含機械載荷比例系數的單個微凸體承受的法向彈、塑性載荷分別為

(11)

(12)

1.2 整體熱彈塑性接觸的法向總載荷

微凸體微接觸截面積的分布函數為[9]

(13)

1

(14)

其定義域不同于文獻[9]中式(46)的定義域,因為D=1時,圖形不具備分形特征;D=2時,Ψ可取任意值,沒有意義。圖2為給定D的取值、根據信賴域反射算法繪制出的D-Ψ曲線。

圖2 D-Ψ曲線

(15)

將式(5)、(10)、(13)代入式(15),可求得整體熱彈塑性接觸的法向總載荷。

當D≠1.5時

(16)

式中

當D=1.5時

(17)

式中

將式(11)～式(13)重新代入式(15),得到考慮機械載荷比例系數的整體熱彈塑性接觸法向總載荷的表達式

(18)

需要強調的是:式(16)、(17)和式(18)是整體熱彈塑性接觸法向總載荷的兩種不同的表達形式,與文獻[5,7,9]中模型的最大不同之處在于,式(16)、(17)和式(18)中包含了結合部的溫度變化量ΔT,能反映溫度變化對接觸部位整體法向總載荷的影響。

當α=0或ΔT=0時,pte=0,ptp=0,此時僅存在機械載荷,式(18)沒有意義。除此之外,式(18)都適用。作為結合部熱彈塑性接觸問題法向載荷分形模型的另一種表達形式,式(18)的意義和好處是提供了另一種計算和分析的方法,相比于不包含機械載荷比例系數的模型,它更簡潔,計算更方便。然而,式(18)僅適用于考慮熱應力的情況,對于純機械的情況并不適用,在應用范圍上,與常見的純機械載荷情況下接觸問題的經典分形模型(如TZQ模型)互不包含,且沒有交集。從建模過程可以看出,不論是否存在熱載荷,描述結合部整體熱彈塑性接觸法向總載荷的式(16)、(17)都適用。

2 特例驗證

以下通過特例來驗證本文所建模型的有效性。

當α=0時,熱載荷為0,代入式(16)、(17)可得到僅存在機械載荷時結合部的整體法向總載荷。

當D≠1.5時

(19)

當D=1.5時

(20)

當ΔT=0時,也不存在熱載荷,將其代入式(16)、(17),可以得到同樣的結果。

式(19)、(20)即文獻[9]中不考慮熱應力的結合部整體法向總載荷的經典模型。

3 計算結果對比與分析

下面將本文模型的計算結果與不考慮熱應力的TZQ模型的計算結果進行對比和分析。

3.1 兩鑄鐵接觸

在工程機械的靜摩擦接觸范疇內,廣泛存在鑄鐵-鑄鐵接觸副,本節(jié)以此為例進行對比計算。

表1 兩鑄鐵接觸的整體法向總載荷(TZQ模型)

由于材料的彈性模量和線膨脹系數會隨溫度升高而改變,故參照鑄鐵的變物性參數取值,選用在不同工作溫度下的彈性模量與線膨脹系數,其余參數取值同上。以實際工作中兩鑄鐵材料結合部最常見的0—500 K溫差為變量范圍,得到整體熱彈塑性接觸法向總載荷隨ΔT變化的關系曲線,如圖3所示,圖中各條線均為曲率很小的曲線。各條線的起點,即ΔT=0時的p值,就是表1中TZQ模型的計算結果。為增強對比效果,以G=10-11m時TZQ模型的計算結果為代表,同時考慮材料彈性模量的變物性特點,通過計算,在圖3中添加了反映該結果的曲線。

圖3 兩鑄鐵接觸的計算結果對比

3.2 鑄鐵-不銹鋼接觸

在內燃機中,缸蓋與機體常采用鑄鐵材料,與之接觸的缸墊材料常為不銹鋼,故本節(jié)以鑄鐵與不銹鋼接觸為例進行對比計算。

當ΔT=0時,取E′=6.5×1010Pa,α=1.13×10-5K-1,K=0.4,σy=2.5×108Pa。對應不同的G值,根據TZQ模型計算得到的鑄鐵-不銹鋼接觸整體法向總載荷見表2。

表2 鑄鐵-不銹鋼接觸的法向總載荷(TZQ模型)

選用不同工作溫度下鑄鐵和不銹鋼的彈性模量與線膨脹系數,其余參數同上,采用本文模型和TZQ模型分別計算,得到了鑄鐵-不銹鋼接觸的法向載荷,見圖4。圖中各條線的起點,即是表2中TZQ模型的計算結果。

圖4 鑄鐵-不銹鋼接觸的計算結果對比

通過以上兩個實例可見,即便考慮變物性參數的影響,TZQ模型的計算結果受ΔT變化的影響仍很小,且隨著溫差增大,與本文模型間的計算結果差距增大。這是因為TZQ模型沒有考慮結合部溫度變化產生的熱載荷對計算結果帶來的影響,在溫差顯著增大的情況下,其計算結果不符合客觀預期。

4 溫差對法向總載荷的影響

采用考慮機械載荷比例系數的熱彈塑性接觸法向載荷分形模型,假設機械載荷比例系數不隨ΔT改變,研究溫差對熱彈塑性接觸法向總載荷p的影響規(guī)律。

圖5 溫差ΔT對法向總載荷p的影響曲線

由數字仿真計算結果可見,熱彈塑性接觸法向總載荷隨著結合部溫差的增大而增大,且比例系數f1、f2越大,法向總載荷增大的幅度也越大。在圖5所示的4組數據中,在其他參數相同的情況下,當f1=1、f2=0.2時,得到的法向總載荷最小。這是因為結合部溫差增大導致微凸體的變形也增大,繼而使熱彈塑性接觸法向總載荷增大。

5 結 論

(1)本文建立的不包含機械載荷比例系數的結合部熱彈塑性接觸問題法向載荷分形模型,既適用于考慮熱應力的情況,也適用于純機械情況,是傳統純機械模型在基礎理論和應用范圍上的擴展。

(2)本文建立的考慮機械載荷比例系數的熱彈塑性接觸問題法向載荷分形模型,僅適用于考慮熱應力的情況,作為模型的另一種表達形式,提供了另一種計算和分析的方法,其形式更簡潔,計算更方便。

(3)熱彈塑性接觸法向載荷隨著結合部溫差的增大而增大。

(4)本文基于熱彈塑性接觸的結合部法向載荷分形模型綜合考慮了溫差、接觸材料線膨脹系數、機械載荷比例系數等參數的影響,從而可用于計算和分析工程實際中大量存在的結合部溫度發(fā)生改變的接觸情況,其結果更符合客觀預期。

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(編輯 葛趙青)

(1.浙江大學動力機械及車輛工程研究所,310027,杭州;2.浙江同濟科技職業(yè)學院機電系,311231,杭州)

針對現有法向接觸載荷分形模型沒有考慮熱應力的影響、不適用于結合部溫度變化的問題,基于熱彈塑性理論和接觸分形理論,建立了熱彈塑性接觸法向載荷分形模型。該模型是對傳統模型在基礎理論和應用范圍上的拓展,綜合考慮了溫差、線膨脹系數、機械載荷比例系數等參數的影響,從而可用于計算和分析工程實際中大量存在的結合部溫度發(fā)生改變的接觸情況,其結果更符合客觀規(guī)律。此外,針對考慮熱應力的接觸問題,引入機械載荷比例系數,給出了模型的另一種表達形式。通過特例驗證了模型的有效性,并與前人的模型進行了對比分析,結果顯示:模型間的計算結果差距隨結合部溫差的增大而增大。最后,通過數字仿真揭示了結合部溫差對熱彈塑性接觸法向載荷的影響規(guī)律——熱彈塑性接觸法向載荷隨結合部溫差的增大而增大。

熱彈塑性;法向接觸載荷;結合部;比例系數;分形模型

A Normal Load Fractal Model of Joint Interface Based on Thermal Elasto-Plastic Theory

FENG Yan1,2,YU Xiaoli1,LIU Zhentao1

(1. Power Machinery & Vehicular Engineering Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology, Hangzhou 311231, China)

Without considering the influence of heat, the existing fractal contact models are not applicable to analyze the contact issues when the temperature changes. Based on thermal elasto-plastic theory and contact fractal theory, a new fractal model of normal contact load is established in this study. This model expands the basic theory and applications of traditional models, and comprehensively considers the effects of such parameters as temperature difference, linear expansion coefficient, mechanical load scale factor, etc. Therefore this model can help calculate and analyze the real contact conditions between fixed contact surfaces when the temperature changes, and it shows better conformity with objective laws. Besides, another expression of the model is proposed by introducing mechanical load scale factor. Then the model is validated through a special case, and comparative study is conducted between this model and TZQ model. The results show that the difference between the model calculations increases with the junction temperature difference. In addition, the effect of temperature difference on the normal contact load is also analyzed. The results reveal that the normal contact load of thermal elasto-plastic contact increases with the temperature difference at joint interface.

thermal elasto-plastic; normal contact load; joint interface; scale factor; fractal model

2015-01-15。 作者簡介:馮燕(1985—),女,博士生,浙江同濟科技職業(yè)學院講師;劉震濤(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2012AA111709)。

時間:2015-06-19

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150619.1649.002.html

10.7652/xjtuxb201509004

TH123

A

0253-987X(2015)09-0018-06