本文關(guān)鍵詞：熱彈塑性接觸基礎(chǔ)問題及其應(yīng)用研究

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【摘要】：接觸問題在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中具有重要地位,是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究中極具挑戰(zhàn)性的問題之一。建立粗糙表面熱彈塑性接觸問題的理論模型,并定量計(jì)算、分析結(jié)合部的接觸力學(xué)特征,能有效指導(dǎo)內(nèi)燃機(jī)等熱力機(jī)械產(chǎn)品的零部件接觸部位材料、結(jié)構(gòu)、剛度等的匹配設(shè)計(jì)。目前,溫度因素對(duì)彈塑性接觸力學(xué)行為的影響仍缺乏研究,使得結(jié)合部溫度變化引起的熱應(yīng)力對(duì)粗糙表面熱彈塑性接觸問題的影響仍不清楚,因此需要進(jìn)一步開展熱彈塑性接觸相關(guān)基礎(chǔ)問題研究。本文建立了熱彈塑性接觸法向分形模型,研究了結(jié)合部溫差等參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響規(guī)律；建立了熱彈塑性接觸擴(kuò)展分形模型；研究了預(yù)緊力和缸蓋熱狀態(tài)對(duì)缸蓋與缸墊間接觸問題的影響規(guī)律,并將計(jì)算結(jié)果與理論值做了比較和分析。具體來說,開展的研究工作與所得的重要結(jié)論包括：1、粗糙表面形貌的模擬及其表征研究。分別選用統(tǒng)計(jì)學(xué)和分形理論兩種方法對(duì)粗糙表面形貌進(jìn)行了表征,并指出、改進(jìn)了前人工作的不足之處。在統(tǒng)計(jì)學(xué)表征時(shí),將表面高度分別按泊松分布和高斯分布兩種情況,通過設(shè)計(jì)流程和編寫程序,對(duì)粗糙表面輪廓曲線做了模擬。在分形表征時(shí),根據(jù)單自變量的W-M函數(shù)模擬了不同分形維數(shù)下的二維分形曲線,根據(jù)二自變量的W-M函數(shù)模擬了不同分形維數(shù)下各向異性三維粗糙分形表面。研究結(jié)果表明：分形模擬法是表征具有分形特征粗糙表面的一種有效方法；相比于統(tǒng)計(jì)學(xué)表征方法,分形表征更具有優(yōu)越性。2、熱彈塑性接觸問題理論模型研究�；诟飨虍愋苑中螏缀卫碚摰姆ㄏ蚪佑|模型,將其與熱彈塑性接觸理論建立的粗糙表面熱力學(xué)特性相結(jié)合,利用各自的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn),分別建立了熱彈塑性接觸法向載荷與法向接觸剛度分形模型,通過引入機(jī)械載荷比例系數(shù),給出了模型的另一種表達(dá)形式,通過特例驗(yàn)證了模型的有效性。研究結(jié)果表明：熱彈塑性接觸法向分形模型是有效的；建立的不包含機(jī)械載荷比例系數(shù)的熱彈塑性接觸法向分形模型既適用于考慮熱力學(xué)因素的情況,也適用于純機(jī)械情況,是傳統(tǒng)純機(jī)械模型在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用范圍上的拓展；考慮機(jī)械載荷比例系數(shù)的熱彈塑性法向接觸分形模型僅適用于考慮熱力學(xué)因素的情況,作為模型的另一種表達(dá)形式,提供了另一種計(jì)算和分析的方法,其形式更簡潔,計(jì)算更方便。3、熱彈塑性接觸力學(xué)特征研究。通過數(shù)值仿真,分別研究了線膨脹系數(shù)、機(jī)械載荷比例系數(shù)、結(jié)合部溫差、分形維數(shù)和分形粗糙度等參數(shù)對(duì)熱彈塑性接觸法向載荷與法向接觸剛度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：熱彈塑性接觸法向載荷隨著線膨脹系數(shù)、機(jī)械載荷比例系數(shù)、結(jié)合部溫差、分形維數(shù)和分形粗糙度的增大而增大；熱彈塑性接觸法向剛度隨線膨脹系數(shù)、機(jī)械載荷比例系數(shù)、溫差、分形維數(shù)的增大而增大,隨著分形粗糙度的增大而減��；在特定情況下,接觸材料線膨脹系數(shù)的影響可以忽略；結(jié)合部溫差的影響不可忽視。4、模型對(duì)比分析與實(shí)例應(yīng)用研究。將建立的熱彈塑性接觸法向分形模型與傳統(tǒng)的純機(jī)械模型進(jìn)行了對(duì)比分析,并以內(nèi)燃機(jī)中常見的鑄鐵、鋼等材料為例,對(duì)模型的實(shí)際應(yīng)用做了舉例示范與說明。研究結(jié)果表明：與不考慮熱力學(xué)因素的經(jīng)典模型間的計(jì)算結(jié)果差距隨結(jié)合部溫差的增大而增大；建立的熱彈塑性接觸法向分形模型綜合考慮了溫差、線膨脹系數(shù)、機(jī)械載荷比例系數(shù)等參數(shù)的影響,從而可用于計(jì)算和分析工程實(shí)際中大量存在的結(jié)合部溫度發(fā)生改變的接觸情況,其結(jié)果更符合客觀規(guī)律。5、熱彈塑性接觸擴(kuò)展分形建模研究�；跓釓椝苄越佑|法向分形模型,建立了熱彈塑性接觸擴(kuò)展分形模型。當(dāng)分形維數(shù)作為單自變量,沿一維方向分別滿足常數(shù)、正比例函數(shù)、拋物線函數(shù)分布時(shí),依次建立了計(jì)算熱彈塑性接觸法向載荷與法向剛度的一維模型,并研究了多自變量一維建模。當(dāng)分形維數(shù)在二維區(qū)域分別為空間平面、二次錐面、橢圓拋物面時(shí),依次建立了計(jì)算熱彈塑性接觸法向載荷與法向剛度的二維模型。該研究使粗糙表面熱彈塑性接觸問題理論模型從“點(diǎn)模型”擴(kuò)展到“線模型”,再擴(kuò)展到“面模型”,可為工程實(shí)際應(yīng)用提供方法指導(dǎo)和理論依據(jù)。6、內(nèi)燃機(jī)缸蓋-缸墊-機(jī)體熱彈性接觸問題研究。以某四氣門柴油機(jī)為研究對(duì)象,建立了缸蓋-缸墊-機(jī)體-螺栓四體三維熱彈性接觸有限元簡化計(jì)算模型,并通過原機(jī)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,通過不同的螺栓預(yù)緊力和熱狀態(tài)下缸蓋下緣受力變形的數(shù)值模擬,分別研究了預(yù)緊力和缸蓋熱狀態(tài)對(duì)缸蓋與缸墊間接觸問題的影響規(guī)律。最后,應(yīng)用熱彈塑性接觸理論模型,比較和分析了仿真值與理論值間的差異,并給出建議。研究結(jié)果表明：當(dāng)預(yù)緊力為額定值時(shí),施加爆壓后,額定工況熱態(tài)下缸蓋底板正對(duì)缸圈處及排氣門側(cè)螺孔處的接觸應(yīng)力與冷態(tài)時(shí)相近,節(jié)點(diǎn)位移有所減小,不同熱狀態(tài)下螺孔處節(jié)點(diǎn)位移及正對(duì)缸圈處接觸應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移的變化幅值均小于2%；除少數(shù)情況外,缸蓋下緣各相關(guān)部位的接觸應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移隨預(yù)緊力增大而增大；目前在常溫環(huán)境下進(jìn)行的密封性試驗(yàn)基本上能夠代表缸墊的實(shí)用狀態(tài)；零部件接觸表面粗糙度對(duì)法向載荷等接觸狀態(tài)具有影響,目前常用的光滑表面有限元建模計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。
【關(guān)鍵詞】：熱彈塑性 分形理論 法向接觸剛度 法向載荷 內(nèi)燃機(jī) 簡化模型
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U463
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-25
• 主要符號(hào)表25-26
• 1 緒論26-46
• 1.1 背景概述與研究意義26-31
• 1.1.1 接觸問題研究重要性及意義26-28
• 1.1.2 內(nèi)燃機(jī)缸蓋-缸墊-機(jī)體熱彈性接觸問題研究意義28-31
• 1.2 不考慮溫度效應(yīng)的粗糙表面接觸問題研究綜述31-39
• 1.2.1 解析法31-36
• 1.2.2 數(shù)值法36-38
• 1.2.3 試驗(yàn)法38-39
• 1.3 結(jié)合部熱彈塑性接觸力學(xué)研究綜述39-42
• 1.4 內(nèi)燃機(jī)零部件接觸問題研究進(jìn)展42-43
• 1.5 本文研究目標(biāo)及主要研究內(nèi)容43-46
• 2 粗糙表面形貌的模擬及其表征46-64
• 2.1 統(tǒng)計(jì)學(xué)表征的理論基礎(chǔ)46-48
• 2.2 粗糙表面形貌的統(tǒng)計(jì)學(xué)表征48-53
• 2.2.1 基于泊松分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)表征48-52
• 2.2.2 基于高斯分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)表征52-53
• 2.3 分形幾何的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)53-58
• 2.3.1 分形幾何學(xué)的提出與發(fā)展53-55
• 2.3.2 分形基本概念55-56
• 2.3.3 分形參數(shù)D和G的物理意義56-57
• 2.3.4 分形維數(shù)的計(jì)算方法57-58
• 2.4 W-M二維分形曲線模擬58-60
• 2.5 各向異性分形粗糙表面的模擬60-63
• 2.6 模擬結(jié)果分析63
• 2.7 本章小結(jié)63-64
• 3 粗糙表面熱彈塑性接觸問題理論模型研究64-81
• 3.1 基于分形理論的熱彈塑性接觸法向載荷模型建立64-70
• 3.1.1 單個(gè)微凸體熱彈塑性接觸法向載荷64-68
• 3.1.2 整體熱彈塑性接觸法向總載荷68-70
• 3.2 基于分形理論的熱彈塑性法向接觸剛度模型建立70-72
• 3.2.1 兩微凸體間熱彈性接觸法向剛度70-71
• 3.2.2 整體熱彈塑性接觸法向剛度71-72
• 3.3 特例驗(yàn)證72-73
• 3.4 與TZQ模型計(jì)算對(duì)比與分析73-79
• 3.4.1 鑄鐵-鑄鐵法向接觸載荷73-75
• 3.4.2 鑄鐵-鋼法向接觸載荷75-77
• 3.4.3 鑄鐵-鑄鐵法向接觸剛度77-78
• 3.4.4 鑄鐵-鋼法向接觸剛度78-79
• 3.5 本章小結(jié)79-81
• 4 基于分形理論的粗糙表面熱彈塑性接觸力學(xué)特征研究81-122
• 4.1 熱彈塑性接觸法向總載荷的影響因素分析81-96
• 4.1.1 線膨脹系數(shù)對(duì)法向總載荷的影響81-84
• 4.1.2 比例系數(shù)對(duì)法向總載荷的影響84-90
• 4.1.3 溫差對(duì)法向總載荷的影響90-92
• 4.1.4 分形維數(shù)對(duì)法向總載荷的影響92-93
• 4.1.5 分形粗糙度系數(shù)對(duì)法向總載荷的影響93-94
• 4.1.6 仿真結(jié)果分析94-96
• 4.2 熱彈塑性接觸法向剛度的影響因素分析96-117
• 4.2.1 線膨脹系數(shù)對(duì)法向接觸剛度的影響97-100
• 4.2.2 比例系數(shù)對(duì)法向接觸剛度的影響100-103
• 4.2.3 溫差對(duì)法向接觸剛度的影響103-109
• 4.2.4 分形維數(shù)對(duì)法向接觸剛度的影響109-114
• 4.2.5 分形粗糙度系數(shù)對(duì)法向接觸剛度的影響114-115
• 4.2.6 仿真結(jié)果分析115-117
• 4.3 實(shí)例應(yīng)用117-121
• 4.3.1 常物性參數(shù)117-119
• 4.3.2 考慮變物性參數(shù)影響119-121
• 4.4 本章小結(jié)121-122
• 5 熱彈塑性接觸擴(kuò)展分形建模研究122-145
• 5.1 一維建模122-133
• 5.1.1 單自變量建模122-130
• 5.1.2 多自變量建模130-133
• 5.2 二維建模133-144
• 5.2.1 空間平面134-137
• 5.2.2 二次錐面137-141
• 5.2.3 橢圓拋物面141-144
• 5.3 本章小結(jié)144-145
• 6 內(nèi)燃機(jī)缸蓋-缸墊-機(jī)體熱彈性接觸問題研究145-178
• 6.1 計(jì)算理論145-147
• 6.1.1 基于增廣拉格朗日的接觸算法145-147
• 6.1.2 熱機(jī)耦合有限元計(jì)算理論147
• 6.2 簡化模型的建立147-150
• 6.3 材料與邊界條件設(shè)置150-154
• 6.3.1 零件材料基本參數(shù)150-152
• 6.3.2 邊界條件152-154
• 6.4 簡化模型的校驗(yàn)154-158
• 6.5 計(jì)算結(jié)果與分析158-168
• 6.5.1 冷態(tài)與額定工況熱態(tài)下接觸情況對(duì)比159-162
• 6.5.2 預(yù)緊力對(duì)接觸情況的影響162-165
• 6.5.3 熱狀態(tài)下的接觸情況分析165-168
• 6.6 法向載荷計(jì)算與分析168-177
• 6.6.1 仿真值168-171
• 6.6.2 理論值171-174
• 6.6.3 比較與分析174-177
• 6.7 本章小結(jié)177-178
• 7 工作總結(jié)與展望178-181
• 7.1 工作總結(jié)與結(jié)論178-180
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)180
• 7.3 研究展望180-181
• 參考文獻(xiàn)181-193
• 致謝193-195
• 科研成果195

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本文編號(hào)：1041610