界面接觸非線性振動(dòng)機(jī)理與能量耗散研究.pdf

1、機(jī)械界面的接觸振動(dòng)特性與能量耗散機(jī)理的解明與否，不僅直接影響機(jī)械裝備的動(dòng)態(tài)服役性能，而且影響監(jiān)控機(jī)器特征振動(dòng)信號(hào)的幅度、頻率和相位等信息，是導(dǎo)致設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的準(zhǔn)確性和可靠性低的主要原因。
　　 由于機(jī)械接觸界面的復(fù)雜性和多樣性，目前，一些重要的現(xiàn)象和機(jī)理尚未解明，尤其是界面的接觸剛度和界面阻尼特性、復(fù)雜界面特性的界面模型表征、界面的非線性動(dòng)力學(xué)過程、多界面的接觸振動(dòng)現(xiàn)象及其對(duì)系統(tǒng)的影響等核心問題一直未得到很好解決。目前，機(jī)械界面

2、行為已經(jīng)成為機(jī)械領(lǐng)域中的關(guān)鍵共性的基礎(chǔ)科學(xué)問題。因此，開展界面接觸動(dòng)力學(xué)行為的探索性研究，具有重要的理論意義和實(shí)際工程價(jià)值。
　　 本論文重點(diǎn)圍繞幾類基礎(chǔ)的接觸界面，包括考慮重力作用的球面接觸界面、粗糙接觸界面、滑移接觸界面和層疊多傳遞界面，通過建立界面接觸的動(dòng)力學(xué)模型，研究?jī)深惖湫徒缑娴慕佑|剛度和阻尼特性，揭示三種典型界面的接觸振動(dòng)與能量耗散特性，以及激勵(lì)載荷在層疊多界面的振動(dòng)與能量傳遞行為，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證關(guān)鍵模型和計(jì)算結(jié)

3、果的有效性和準(zhǔn)確性。論文的主要工作有以下幾個(gè)方面：
　　 ①針對(duì)目前基于Hertz球-剛性平面接觸模型，因受接觸界面屬性、阻尼屬性及其他因素的影響，線性粘性阻尼模型難以真實(shí)描述界面接觸力-變形關(guān)系的問題，在考慮真實(shí)系統(tǒng)的重力影響因素的基礎(chǔ)上，采用任意正指數(shù)的非線性粘性阻尼函數(shù)，建立了基于靜平衡位置的球體-剛性平面接觸振動(dòng)模型，分析了不同的界面非線性阻尼對(duì)系統(tǒng)自由振動(dòng)響應(yīng)的影響；同時(shí)，針對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)特征基本相同，通過響應(yīng)值辨識(shí)接觸阻

4、尼模型困難的問題，基于接觸阻尼回復(fù)力-速度關(guān)系，提出了一種基于回復(fù)力的接觸阻尼模型辨識(shí)方法，且通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了其有效性，并獲得了多種材料屬性的球-平面模型的阻尼模型。
　　 ②建立了“單層金屬板-剛性平面”粗糙界面模型和“多層粗糙金屬板-剛性平面”多界面模型，耦合了粗糙表面的分形模型、塑性材料的連續(xù)性硬化準(zhǔn)則和加載與卸載力-變形曲線形成遲滯環(huán)面積等于塑性變形能量耗散量的關(guān)系，可較好地解決彈性和塑形的轉(zhuǎn)變過程存在不連續(xù)的問題。同

5、時(shí)，研究了界面形貌、材料塑性變形行為和界面摩擦對(duì)粗糙界面的接觸力-變形關(guān)系的影響，計(jì)算了由塑性變形及硬化引起的能量耗散和多層粗糙界面的能量傳遞耗散率，揭示了粗糙界面塑性接觸變形機(jī)理和能量耗散規(guī)律。
　　 ③采用具有自相似和尺度獨(dú)立的粗糙表面分形模型，通過計(jì)算不同界面形貌接觸模型的力一變形關(guān)系，構(gòu)造了粗糙接觸界面和表面粗糙體的剛度表達(dá)式，建立了基于靜平衡位置的彈性粗糙體-剛性平面的粗糙界面接觸振動(dòng)模型，可克服目前粗糙界面的接觸剛度

6、、動(dòng)力學(xué)行為和能量耗散基于粗糙表面的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型描述而具有尺度依賴性的缺點(diǎn)。同時(shí)，研究了界面形貌對(duì)法向接觸剛度的影響，計(jì)算了不同形貌界面接觸振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和振動(dòng)能量耗散率，分析了粗糙界面法向接觸振動(dòng)的響應(yīng)特征與能量耗散特性，并對(duì)界面法向微動(dòng)能量耗散的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋。
　　 ④推導(dǎo)了無滑動(dòng)、微滑動(dòng)和整體滑動(dòng)的不同界面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)滑動(dòng)界面端部的力-位移關(guān)系表達(dá)式，建立了滑動(dòng)界面系統(tǒng)沿滑動(dòng)方向的動(dòng)力學(xué)模型，解決了目前的滑動(dòng)界面系統(tǒng)

7、模型局限于界面具有均勻壓力分布的假設(shè)條件，且僅考慮界面微滑動(dòng)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)特性影響的問題，并在考慮真實(shí)界面的非均勻壓力分布的基礎(chǔ)上，計(jì)算了不同滑動(dòng)界面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)滑動(dòng)界面系統(tǒng)的固有頻率、簡(jiǎn)諧載荷作用下的響應(yīng)幅值以及每周期的能量損耗量，研究了動(dòng)態(tài)載荷作用下滑動(dòng)界面系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與能量耗散特性。
　　 ⑤考慮實(shí)際傳遞界面法向和切向運(yùn)動(dòng)耦合，擴(kuò)展單一滑動(dòng)界面模型，建立了“球-螺栓固結(jié)多層疊加板”的疊加多傳遞界面模型(SJAMP)，計(jì)算了