摩擦单摆支座等效摩擦系数数值仿真及试验研究
摩擦摆支座球面曲率对摩擦副等效摩擦系数的影响
转动摩擦 副 锚 碇钢棒
图 １ 双球 面 Ｆ Ｐ Ｂ结 构 示 意
础上进 行 分析 。
１ ． ２ 有 限 元 分 析 模 型 的 建 立
摩 擦 系数 的影 响是 有 必要 的 。单纯 的平 面摩擦 副 摩擦 系数 与支 座 整体表 现 出来 的摩擦 副 等效 摩 擦 系 数 ， 因
为支 座 内部结 构 的 双球 面特 性 ， 也 并 不 相 同。 由 于 国
座 进行 分 析计 算 ， 验 证 了理论 计 算公 式的 准确 性与 适 用性 。摩擦 系数 的 准确 计 算 对摩 擦 摆 支座 的 阻尼 性 能及 减 隔振性 能 的精确 分析 都 具有 重要 意 义。 关 键词 ： 摩 擦摆 支座 摩 擦 系数 球 面 曲率 有 限元分 析
中 图分类 号 ： Ｕ ４ ４ ３ ． ３ ６ 文 献标 识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ ． ２ ０ １ ３ ． １ ０ ． １ ２ 典 型 的摩 擦摆 支座 （ Ｆ Ｐ Ｂ） 是一 种包 含 双 球面 结 构 的减 隔震 支座 ， 如图 １ 所 示 。主要 由滑 动球 面板 、 转 动 球 面板 和 一个 中间滑块 组成 ， 滑动、 转 动球 面板 与 中间 滑块 都通 过球 面摩 擦 副 连 接 。研 究 表 明¨ ， 摩 擦 摆 支
内外 各个 摩擦 摆 厂家设 计 生产 摩擦摆 支 座 的习惯 或者 设 计 应用 目标 不 同 ， 因而 对 两 个 球 面 曲率 取 值 不 同。
摩擦学学报---磨损数值仿真技术的研究进展
第24卷 第2期摩擦学学报Vol24, No2 2004年3月TRIBOLOGY March,2004磨损数值仿真技术的研究进展汪选国,严新平,李涛生,吴 刚(武汉理工大学可靠性工程研究所,湖北武汉 430063)摘要:综述了近年来国内外磨损数值仿真技术研究进展和现状,重点评述了数值仿真方法在磨粒磨损、疲劳磨损、磨损表面形貌模拟和实际摩擦副磨损研究方面的应用.指出磨粒磨损仿真主要集中于二体磨损的磨损表面形貌分析和磨损预测;疲劳磨损仿真主要集中基于断裂力学方法的建模以及基于有限元方法的参数定量计算和疲劳裂纹行为数值模拟;实际摩擦副磨损仿真主要侧重于齿轮、凸轮和缸套 活塞环等典型摩擦副的磨损研究.就当前磨损数值仿真研究的主要问题和发展方向提出了建议.关键词:磨损仿真;磨粒磨损;疲劳磨损中图分类号:TH117.3文献标识码:A文章编号:1004 0595(2004)02 0188 05多年以来,摩擦学界在磨损机理、摩擦学系统分析理论与方法、磨损表面微观分析等方面进行了大量的研究[1~3].但磨损研究方法大多集中于实验研究,即要求针对某种标准试样,以某种选定的试验条件在专门的试验机上进行大量模拟试验,以进行经验性探索[4].这种实验研究方法耗费大量时间、人力、物力和财力,而由于实际摩擦学系统的复杂性和不同工况,某些模拟试验结果不能很好地用于摩擦学系统设计和实际工程应用,如磨损寿命预测、磨损动态监测和耐磨性设计等[4].而数值仿真技术可以弥补这些不足,为摩擦学研究提供了一种新的手段[4~7].将数值仿真技术用于摩擦学系统研究,在分析和研究摩擦学系统的基础上建立仿真模型,进而利用计算机对模型进行改进和完善,将显著提高摩擦学研究的效率和摩擦学系统特性预测的准确性[4].本文概述了当前磨损数值仿真技术研究的进展和现状,并提出今后的研究方向.1 磨粒磨损的数值仿真磨粒磨损指外界硬颗粒或对摩表面硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象[1].Rabinowicz 建立了关于磨粒磨损的经典模型[2],有关磨粒磨损的仿真研究大多立足于该经典模型.表面形貌对摩擦副性能的影响很大,由磨损和塑性变形引起的表面粗糙度变化是摩擦学系统性能具有时变特性的主要原因之一[8].因此,合理设计以及正确预测摩擦副的表面粗糙度很有必要.Zhang 等[9~11]基于随机过程理论提出了描述二体磨损过程中摩擦副表面形貌变化的磨损动态过程理论,在此理论基础上建立了软表面受硬表面微切削时表面粗糙度及磨损量的预测模型;该模型假设硬表面是绝对硬的刚体,不发生变形或磨损.刘峰壁等[8,12,13]在Zhang等的研究基础上建立了用于预测二体磨损过程中两磨损表面均发生磨损时的表面粗糙度及磨损量的模型;针对粗糙表面三体接触建立了数学模型,分析了三体接触中接触表面间距离和塑性变形量同第三体磨粒粒度分布、外载荷、接触表面微观几何参数及材料硬度之间的关系;并建立了三体磨粒磨损过程中摩擦副表面粗糙度的预测模型.在磨粒磨损过程中,有的磨粒参与磨损过程,有的则不参与,表现出统计学特征.Jacobson等[14]建立了考虑多个磨粒同时作用的纯切削过程的统计学模型,利用该模型研究了磨粒尺寸、载荷及工件表面硬度对磨损率的影响,预测了发生接触的磨粒数量和磨损表面形貌.Jiang等[15]对Jacobson等的模型进行了修正,从而使得修正模型能够反映磨损表面形貌变化及磨损模式对磨损过程的影响.Podra等[16]建立了锥形接触时考虑表面形貌影响的磨粒磨损模型,并利用有限元法和解析法计算了相应的磨损,发现由2种计算方法得到的结果相差较大,并指出其原因可能在于基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2002AB017).收稿日期:2003 05 29;修回日期:2003 09 02/联系人严新平,e mail:xpyan@mail.w .作者简介:严新平,男,1959年生,博士,教授,博士生导师,目前主要从事设备诊断工程、摩擦学技术应用和智能交通等方面的教学与科研工作.采用解析方法时未考虑弹性变形的影响.Peterseim 等[17]针对销 盘摩擦磨损试验数值仿真建立了模型,并开发了仿真计算的计算机程序;通过改变材料和试验的输入参数(销的结构、试验时间、载荷、试盘或砂纸特性参数等),可以计算磨损体积损失和磨损表面形貌参数.Li等[18]建立了微观动态磨损仿真模型,用以模拟磨损过程和预测磨损过程中材料性能的变化. Elalem等[19]利用该模型研究了几种金属材料的磨粒磨损性能,发现理论分析结果同试验结果相一致. N icholls等[20]用M onte Carlo方法模拟材料冲蚀磨损过程的随机特征,通过采用统计分布来描述每一种状态下的磨粒尺寸、材料性能和冲击速度,并计算每一次离散冲击磨损量以确定由所有离散冲击所造成的总磨损量.吴国清等[21,22]将M onte Carlo方法与数值模拟相结合,提出了二体磨料磨损的三维仿真模型,并利用该模型分析了磨粒粒度、尖锐度和圆锥度对磨损率的影响,发现粒度、尖锐度和圆锥度相互影响并共同决定磨粒的尺寸效应.综上所述,目前关于磨粒磨损的仿真研究主要集中于二体磨损的表面形貌和磨损预测,对三体磨损的仿真研究较为欠缺.同经典磨损计算方法相比,在磨粒磨损仿真研究中引入随机过程理论和统计学原理具有明显的优势.为了更精确地模拟二体磨损过程,需引入更多的影响因素以综合考虑整个磨损过程.2 疲劳磨损的数值仿真疲劳磨损指2个相互滚动、滑动或滚动兼滑动的磨损表面在循环接触应力作用下局部引发裂纹,裂纹逐步扩展,最后导致材料剥落的磨损过程[3].在各种磨损形式中都不同程度地存在疲劳过程,因此对疲劳磨损的研究一直受到广泛关注.Kapoor等[23]建立了韧性金属材料在循环滚动接触时的表面剥层磨损模型,并利用力学原理,将材料的磨损率同载荷、接触体的粗糙度、表面层材料的弹塑性联系起来,通过计算机仿真计算得到材料表面的磨损深度;但该模型没有考虑塑性变形导致的材料性能变化.为此,Franklin等[24]对上述模型进行了改进和完善,从而可以较为真实地反映微观结构变化而引起的材料性能的统计变化.Flasker等[25,26]针对机械零件滚动和滑动接触时表面疲劳点蚀建立了仿真计算模型,并研究了不同接触表面和接触载荷下点蚀的形状以及应力强度因子同裂纹长度的关系,并将该模型用于2个啮合齿轮齿的表面点蚀仿真.O Neil等[27]用有限元方法研究了涂层材料在不同接触载荷下疲劳裂纹的形成和扩展过程.Chue 等[28]用断裂力学方法分析了滚动接触过程中应变硬化层对点蚀形成的作用,用二维有限元方法计算了 型和 型应力强度因子和应变能强度因子,计算分析预测结果与试验结果吻合.林刚等[29]利用弹性接触理论对接触面的切应力和法向应力进行叠加,然后经数值积分求出接触表面附近区域的应力曲线,进而研究了疲劳磨损、剥层磨损和压碎磨损机理.Fleming 等[30]利用线弹性断裂力学方法研究了亚表层裂纹沿滑动反方向扩展的模型,指出在接触区前方塑性变形区受压缩应力作用导致裂纹闭合,在接触区后方塑性变形区受拉伸应力作用导致裂纹扩展.Kimura等[31]基于磨损的剥层理论提出用纵向点接触模型评价裂纹尖端的应力强度因子(K 、K 、K ),并利用有限元法计算了钢和Si3N4的I形和L形裂纹扩展应力强度因子K 、K 、K 分布及其最大值.Ghorbanpoor 等[32]用有限元法模拟了磨粒磨损中以 型断裂为主导的裂纹萌生和扩展行为,发现应力强度因子K 随摩擦力的增大而增大,在与滑动方向大致成135 处达到最大值,裂纹扩展进入亚表层.在复合载荷作用下裂纹在某一临界深度沿滑动平行方向移动,最终遇到另一裂纹而发生片状剥层.Glodez等[33]用有限元法计算分析了基于圆柱体接触等效模型的应力强度因子同裂纹长度的定量关系,并对齿轮齿侧面的点蚀磨损进行了数值模拟研究.Komvopoulos等[34]用线弹性断裂力学和有限元法研究了均匀半平面在移动磨粒作用下的亚表层裂纹扩展行为,并阐述了裂纹长度与深度的比、接触区和裂纹界面的摩擦以及加载历程对 型和 型裂纹扩展方向的影响.Zhang等[35]用有限元法和最大拉应力准则分析了往复滑动半平面的表面裂纹扩展,发现裂纹屏蔽效应随裂纹间距减小而增强.此外,很多研究者将线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学与有限元方法相结合来建立仿真模型,并利用仿真模型研究了磨损过程中疲劳裂纹的扩展行为.总体而言,疲劳磨损的数值仿真研究主要集中于用力学和断裂力学方法建立疲劳磨损模型,用有限元法进行参数定量计算和疲劳裂纹行为的数值模拟.由于疲劳磨损过程相当复杂,影响因素众多,必须建立切合实际的疲劳磨损力学模型.3 磨损表面形貌的数值仿真在磨损仿真研究中,首先应确定接触表面的形貌.目前,主要应用随机过程理论和统计学原理对表189第2期 汪选国等: 磨损数值仿真技术的研究进展面形貌进行数值模拟,以保证模拟表面与真实表面具有类似的统计学特征.黄逸云等[36,37]提出了关于随机表面形貌分析的计算机模拟方法.吴国清等[21,22]用Monte Carlo法模拟随机砂纸表面.Gu等[38]研究了真实表面的仿真方法,该仿真表面与真实表面的统计特征类似,只要将真实表面不同方向的轮廓参数输入计算机即可获得模拟表面,仿真结果与实际表面具有统计学上的一致性.M ajum dar等[39]指出粗糙表面具有分形特征,并用Weierstrass Mandelbrot(W M)分形函数来模拟粗糙表面,提出确定分形维数的方法.4 数值仿真在磨损研究中的应用除了前述有关磨损仿真的理论研究外,磨损仿真在实际摩擦副的磨损研究中也得到了应用.Lundvall 等[40]研究了2个弹性体接触时的磨损计算,并将相关结果应用于齿轮的仿真计算,发现齿轮的主要磨损形式为轻微磨损;这种轻微磨损可导致齿轮表面形貌和尺寸变化,引起齿轮的不均匀啮合甚至断裂失效. Flodin等[41]针对齿轮轻微磨损预测建立了数值仿真模型,指出可以将整个仿真过程视作初始值问题,而由于每一个啮合周期都会产生一定的磨损而使表面尺寸发生改变,故总的磨损是所有啮合周期所产生的磨损的总和.Olofsson等[42]研究了圆柱推力轴承在边界润滑状态下的磨损仿真,并用试验数据验证了仿真结果.江亲瑜等[4,5]利用离散数学理论,将数值方法和计算机相结合,提出了摩擦副磨损全过程的动态数值仿真模型,并用该模型研究了凸轮和齿轮的光面磨损,开发了相应的仿真计算软件.严立等[6]提出了利用智能仿真技术求解磨损问题的方法.他们在磨损试验、机理研究和系统分析的基础上,采用模糊推理和智能仿真方法对磨损状况进行演绎,利用有关基础理论、试验资料和经验知识,建立了包含灰匣、黑匣以及推理机构的框形综合仿真模型,进而评价系统的耐磨性能,预测其发生故障的可能性及使用寿命.他们还以船用柴油机缸套活塞环系统为例,通过摩擦学系统分析建立了仿真模型,并实现了计算机求解.潘尔顺等[43]从边界元的基本思想出发,将渐开线直齿圆柱齿轮简化为端面进行分析,从而将空间啮合问题简化为平面啮合问题,将边界曲线离散成许多的单元和结点,以计算任意啮合点的磨损量.左玉梅等[44]以凸轮挺柱为研究对象,在Archard模型基础上,考察了表面形貌对凸轮摩擦磨损性能的影响,并建立了内燃机凸轮挺柱在边界润滑状态下的摩擦磨损数学模型,提出了计算方法.孔凌嘉等[45,46]结合润滑状态建立了同时考虑边界润滑状态下二体磨损和三体磨损的内燃机缸套 活塞环系统的综合磨损模型,该模型可反映磨粒大小、分布及浓度对磨损的影响.刘[47]将系统分析方法和摩擦学行为相结合,以Archard磨损模型和系统论为基础,研究了磨粒浓度对缸套 活塞环磨损的影响,并基于台架试验结果建立了描述磨粒浓度动态变化对磨损影响的传递函数模型.在工程应用领域,关于摩擦副磨损仿真的研究主要着眼于齿轮、凸轮和缸套 活塞环系统.相关研究以Archard磨损模型为基础,并在仿真计算过程中适当考虑磨损过程中表面形貌和接触应力的变化.5 结束语数值仿真方法作为新的磨损研究手段和方法已引起摩擦学界的重视,并将发挥越来越重要的作用.目前关于磨损仿真研究的主要不足在于:磨损仿真模型预测结果同实际情况相差较大;建立仿真模型时的简化处理导致模型精确度不够高;利用Archard等经典磨损模型进行仿真计算时缺乏关于材料磨损率规律的准确数据.磨损仿真结果的可靠性和实用性在很大程度上取决于磨损模型的正确性和精确性.为了更好地发挥数值仿真方法在摩擦磨损研究中的作用,应在深化磨损机理研究、摩擦学系统分析方法及磨损表面微观分析的基础上建立更加完善和切合实际的磨损模型,并通过大量实验研究确定关于磨损率规律的准确数据.目前摩擦学仿真应用大多集中于特定的单个零件或摩擦副磨损的研究.今后应大力加强以下几方面的研究.首先,应加强磨损机理的仿真研究,并通过建立仿真模型以及进行理论和实验研究结果对比验证已有理论的正确性.其次,应在利用成熟的理论和模型的基础上实现磨损研究的定量化,以指导产品设计、零件优化设计、材料选择、寿命设计以及耐久性设计等.第三,应在仿真计算过程中考虑多因素的影响,以提高仿真结果的准确性和可靠性.第四,应该加强典型磨损试验的仿真研究,以减少磨损试验工作量,提高摩擦磨损测试效率.第五,应该加强机械系统的仿真及建模研究,从而实现系统运行过程的动态仿真以及系统状态的实时监控和预测.参考文献:[1] 温诗铸.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社,1990.190摩 擦 学 学 报 第24卷[2] 肖祥麟.摩擦学导论[J].上海:同济大学出版社,1990.[3] 张嗣伟.基础摩擦学[M].东营:石油大学出版社,2001.[4] Jang Q Y(江亲瑜),Li B L(李宝良).A softw are for w ear numerical simulati on of cam follow er systems(凸轮机构磨损数值仿真软件研究)[J].Lubricati on Engineering(润滑与密封),2000,(4):2 4.[5] Jiang Q Y(江亲瑜),Li M L(李曼林),Dong M Y(董美云),etal.Numerical simulati on of spur gears(渐开线齿轮磨损的数值仿真)[J].Journal of Dalian Railw ay Institute(大连铁道学院学报),1999,20(1):13 18.[6] Yan L(严立),Xu J J(徐久军).Research on th e si mulationmethod of w ear process(磨损问题的仿真求解研究)[J].Tribology(摩擦学学报),1999,19(1):50 55.[7] Yuan C Q(袁成清),Yan X P(严新平),Peng Z X(彭中笑).Review of Proceedi ngs of14th International Con feren ce on W ear ofM ateri als(关于第14届材料磨损国际会议的简要评述)[J].T ribol ogy(摩擦学学报),2003,23(4):356 360.[8] Liu F B(刘峰璧),Xie Y B(谢友柏).A prediction model for tw obody w ear proces s(二体磨损过程预测模型)[J].Journal of Xian Jiaotong University(西安交通大学学报),1998,32(2):20 23.[9] Zhang B,Xie Y B.Tw o body micro cutting wear model,Part I:Tw o dimensional roughness model[J].Wear,1989,129:37 48.[10] Zhang B,Xie Y B.Tw o body micro cutti ng w ear model,Part II:T hree dimensional roughness model[J].Wear,1989,129:49 58.[11] Zhang B,Xie Y B.Tw o body micro cutting wear model,Part III:Stable profile height distribution of a worn surface[J].Wear,1989,129:59 66.[12] Liu F B(刘峰璧),Li X E(李续峨),Xie Y B(谢友柏).Theoretical investigation on three body contact of rough s urface(粗糙表面三体接触理论研究)[J].C hi n ese Journal of M echanical Engineering(机械工程学报),1997,33(3):27 31.[13] Liu F B(刘峰璧),Li X E(李续峨),Xie Y B(谢友柏).A newmodel for predicting roughness of rubbing surface i n three bodyabrasive wear(三体磨损过程理论研究)[J].Chinese Journal ofM echanical Engineering(机械工程学报),2000,19(1):9 12. [14] Jacobson S,Wallen P,Hogmark S.Fundamental aspects of abrasive w ear studied by a n ew numerical simulation model[J].Wear,1988,123:207 223.[15] Jiang J R,S heng F H,Ren F S.M odeling of tw o body abrasivew ear under multiple contact conditions[J].W ear,1998,217:3545.[16]Podra P,Andersson S.Fi nite element analysis of w ear si mulationof a conical spinning contact considering surface topography[J].Wear,1999,224:13 21.[17] Peterseim J,Elsing R,Deuerler F.S imulation of sliding w ear ofhard phase containing metallic compound material s[J].M etall(Germany),1998,52:643 651.[18]Li D Y,Elalem K,Anderson M J,et al.A microscale dynamicalmodel for w ear simulation[J].Wear,1999,225 229:380 386. [19] Elalem K,Li D Y.Dynamical simul ation of an abrasi ve w ear process[J].Journal of Computer Aided M aterials Design(Netherlands),1999,6:185 193.[20] Nicholl s J R,Stephenson D J.M onte carlo modeling of erosi onprocesses[J].Wear,1995,186 187:64 77.[21] W u G Q(吴国清),Zhang X F(张晓峰),Fang L(方亮),et al.3D dynamic simulation of tw o body abrasion(两体磨料磨损的三维动态模拟)[J].Tribology(摩擦学学报),2000,20(5):360 364.[22] Wu G Q(吴国清),Fang L(方亮),Xing J D(邢建东),et al.Stochasti c simulation to the effect of abras i ve parameter on abrasive w ear(磨料尺寸对磨料磨损过程影响的的随机模拟)[J].Journal of Xi an Jiaotong University(西安交通大学学报),2001,35(5):527 531.[23] Kapoor A,Fran kli n F J.Tribological layers and the w ear of ductilematerials[J].Wear,2000,245:204 215.[24] Frankli n F J,Widiyarta I,Kapoor puter simulati on ofwear and rolling contact fati gue[J].Wear,2001,250 251:949955.[25] Flasker J,Fajdi ga G,Glodez S,et al.Numerical simulation ofsurface pitting due to contact loadi ng[J].International Journal ofFatigue(UK),2001,23(7):599 605.[26] Ren Z,Glodez S,Fl asker J.S i m ulation of surface pitting due tocontact loading[J].International Journal for Numerical M ethods in Engineering(UK),1998,43(1):33 50.[27] O Neil D A,Wayne S F.Numerical simulation of fracture in coated brittle materials subjected to tribo contact[J].J Eng M aterTechnol(Trans ASM E),1994,116(4):471 478.[28] Chue C H,Chung H H,Lin J F,et al.The effects of strai n hardened layer on pitting formation during rolling contact[J].W ear,2001,249;109 116.[29] Lin G(林刚),Xie J P(谢敬佩),Yang P R(杨茹萍),et al.Stresscomputati on of fatigue w ear and crush w ear(疲劳磨损和压碎磨损的应力计算)[J].Journal of Louyang Institute of T echnology(洛阳工学院学报),1994,15(3):13 18.[30] Fleming J R,Suh N P.M echanics of crack propagation in delamination w ear[J].W ear,1977,44:39 56.[31] Kimura Y,S hima M.Longitudinal contact point model for calculating stress instensity at s urface cracks in sliding wear[J].W ear,1991,141:335 347.[32] Ghorbanpoor A L,Ziiang J.Crack behavior for sliding contactproblems[J].Eng Fract M ech,1992,41(1):41 48.[33] Glodez S,W i nter H,Stuw e H P.A fracture mechanics model forthe w ear of gear flanks by pitting[J].Wear,1997,208:177 183.[34]Komvopoulos K,Cho S S.Finite element analysis of subsurfacecrack propagation in a halfspace due to a moving asperity contact[J].W ear,1997,209:57 68.[35]Zhang H Q,Sadeghipour K,Baran G.Numerical study of polymers urface w ear caused by sliding contact[J].W ear,1999,224:141 152.[36] Huang Y Y(黄逸云),Gu J X(顾新建).Computer si mulation ofrandom surface topography(随机表面形貌的计算机模拟)[J].Lubrication Engineering(润滑与密封),1990,(5):4 7.[37]Gu J X(顾新建),Huang Y Y(黄逸云).T he amplitude distribution fun ction of random rough surface and its simulation method(随191第2期 汪选国等: 磨损数值仿真技术的研究进展机粗糙表面的幅值分布函数及其模拟方法的探讨)[J].Journal of M echanical Science and Technology(机械科学与技术),1991,38(2):78 82.[38] Gu X J,Huang Y Y.T he modeling and simulation of a rough surface[J].Wear,1990,137(2):275 285.[39] M aj umdar A,Tien C L.Fractal characterization and simulation ofrough surfaces[J].Wear,1990,136(2):313 327.[40] Lundvall O,Klarbring A.Simulation of w ear by use of a nonsmooth Newton i an m ethod a spur gear appli cati on[J].M echanics of Structures and M achines,2001,29(2):223 238. [41] Flodin A,Andersson S.Simulation of mild w ear in spur gears[J].W ear,1997,207(1 2):16 23.[42] Olofsson U,Andersson S,Bj orklund S.S i mulation of mild w ear inboundary lubricated spherical roller thrust bearings[J].Wear,2000,241(2):180 185.[43] Pan E S(潘尔顺).Computer simulati on of gearing about load,stress and w ear in meshing process(齿轮啮合过程中载荷、应力及磨损的计算机模拟)[J].Journal of M echanical Science and Technology(机械科学与技术),2000,19(1):40 41.[44] Zuo Y M(左玉梅),M a L(马力),Tang S X(唐少雄),e t al.Research on a calculation method of w ear value of a cam follow er i n ani nternal combustion engine(内燃机凸轮挺柱磨损数值计算方法的研究)[J].Journal of Wuhan University of Technology(Informa tion&M anagement Engineeri ng)[武汉理工大学学报(信息与管理工程版)],2001,23(3):40 43.[45] Kong L J(孔凌嘉).A tribological system study of the cylinder liner piston ring in i nternal combustion engines(内燃机缸套 活塞环摩擦学系统研究)[D].Xi an(西安):Xi an Jiaotong University(西安交通大学),1991.[46] Kong L J(孔凌嘉),Xie Y B(谢友柏).Calculati on of blow bygas,lubrication,fri ction and w ear in cylinder li n er piston ri ngs tribo systems(缸套 活塞环摩擦学系统漏气与润滑和磨损的计算)[J].Transactions of CSICE(内燃机学报),1992,10(3):267264.[47] Liu K(刘).Study on frictional and lubricating characteri stics ofa cylinder liner piston rings systems and establishment of w earmodel(缸套 活塞环系统摩擦、润滑特性的研究及磨损模型的建立)[D].Xi an(西安):Xi an J i aotong Universi ty(西安交通大学),1995.Research Status of Wear Numerical Simulation TechnologyWANG Xuan guo,YAN Xin ping,LI T ao sheng,WU Gang(Reliability Engineer ing I nstitute,Wuhan U niver sity of T echnology,W uhan430063,China)Abstract:The current state and prog ress of the study on w ear numerical sim ulation technolog y w ere summarized. T he application of numerical simulation methods to the study of abrasive w ear mechanism,fatig ue w ear mecha nism,w orn surface topography,and w ear prediction and calculation of components w as reviewed.It w as pointed out that the abrasive w ear simulation study was mainly concentrated on the prediction of tw o body wear,w hile the fatigue w ear simulation w as focused on the establishment of the model making use of fracture mechanics and finite element methods,by accounting for the parameters quantitative calculation and numerical simulation of the fatigue crack behavior.Besides,the wear simulation of practical frictional parts w as concentrated on the w ear analysis of g ear cam and cylinder liner piston ring systems.The problems to be solved and the future directions to be furthered w ere sug gested as w ell.Key words:w ear sim ulation;abrasive wear;fatigue w earAuthor:YAN Xin ping,male,born in1959,Ph.D.,Professor,e m ail:x pyan@m 192摩 擦 学 学 报 第24卷。
摩擦摆隔震支座振动台试验_数值仿真及应用研究
238
世界地震工程
第 30 卷
normal － period seismic waves，and the influence of long － period seismic wave on displacement response is bigger than that on acceleration response； （3） the complex high － rise building with friction pendulum isolation bearing has good energy consumption capacity，the different type response under different input excitations has different vibration isolation effect，and the vibration isolation effect of displacement response is better than that of acceleration response． Key words：friction pendulum isolation bearing；shaking table test；numerical simulation；seismic isolation of high － rise structure
不少学者专家及科研人员对摩擦摆隔震支座的振动台试验及数值模拟进行过研究，并且取得了丰硕的 研究成果，国外比较有代表性的成果有 Zayas［2］，Mokha［3］，Bujar［4］等；国内有周锡元［5 － 6］，薛素铎［7 － 8］，姜 婷［9］等；研究表明，FPS 能够有效延长上部结构的自振周期，限制隔震层位移，同时具有自动回位功能，有效 减少了地震对上部结构的影响，隔震效果明显且随着地震波加速度幅值的增大而增强。
摩擦摆支座结构设计及验证
物 的不 同抗 震等 级采 取 严 格 的抗 震 构 造 措 施 ， 不 但 材 料 消耗 量大 大增 加 ， 施 工 的难度 也 相应增 大 ， 从而 大大
２ ． １ 摩 擦摆 的 结构 材 质选择
１ ） 上座板 、 中间板 、 下座 板 的材质选 择
根 据支 座 的受力 特性及 应用 环境 ， 上座板 、 中间板
产 生 的水平 恢复 力 的合 力 ， 而 提 供 的恢 复力 使 支 座 能
依 靠其 承受 的重 力 自动 往 中心 位 置 回复 ， 使 地 震 响 应 得 到控 制 ， 并 且 该支 座 的 刚度 中心 有 自动 与 隔震 结 构 的质心 重合 的趋 势 ， 因 而能 在 最 大 的 程 度上 消除 结 构 的扭 转 运动 。实 践表 明 ， 摩 擦 摆 支 座是 一种 力 学 性 能
fpb的水平力为滑动面摩擦力和上部结构沿滑道上升21摩擦摆的结构材质选择产生的水平恢复力的合力而提供的恢复力使支座能1上座板中间板下座板的材质选择依靠其承受的重力自动往中心位置回复使地震响应根据支座的受力特性及应用环境上座板中间板得到控制并且该支座的刚度中心有自动与隔震结构和下座板可以借鉴球型支座的选材一般可以选用的质ห้องสมุดไป่ตู้重合的趋势因而能在最大的程度上消除结构q345热轧钢板或zg270500等
上支座板
中问衬板
下支座板
锚 碇钢棒
加 速度 响应 可 减 小 到 传 统 抗 震 结 构 的 １ ／ ５～１ ／ １ ０ ， 甚
摩擦磨损试验机的虚拟设计与仿真分析
东北大学硕士学位论文目录目录独创性声明…………………………………………………………………Ｉ摘要……………………………………………………………………．．ＩＩＡｂｓｔｒａｃｔ………………………………………………………………………………………………………………．．ＩＩＩ第１章绪论……………………………………………………………．．１１．１课题研究的背景和意义…………………………………………………………………．．１１．２国内外研究现状及发展动态……………………………………………………………．．２１．３虚拟设计技术简介…………………………………………………………………………４１．４课题研究的思路及主要内容……………………………………………………………．．５第２章摩擦磨损试验机的总体设计……………………………………７２．１试验机的功能及技术参数………………………………………………………………．．７２．２试验机的设计依据………………………………………………………………………．．７２．３试验机的系统组成…………………………………………………………………………９２．３．１动力传动系统……………………………………………………………………．１０２．３．２加载系统…………………………………………………………………………．．１１２．３．３感应加热系统……………………………………………………………………．１１２．３．４润滑系统…………………………………………………………………………．１２２．４试验机的机械系统建模…………………………………………………………………１２２．４．１零部件三维实体模型的建立……………………………………………………．１２２．４．２机械系统虚拟装配模型的建立…………………………………………………．１３１２．４．３机械系统装配模型干涉检验……………………………………………………．１５．２．５本章小结…………………………………………………………………………………１６第３章试验机关键零部件的有限元分析………………………………１７３．１轴承座和传动轴的结构静力分析………………………………………………………１７３．１．１轴承座的静力分析………………………………………………………………．１７３．１．２传动轴的静力分析………………………………………………………………．２０ｆ东北大学硕士学位论文目录５．３有限元分析模型的建立…………………………………………………………………６２５．３．１感应加热一维模型的建立………………………………………………………．６２５．３．２边晃条件、分析单元与网格划分………………………………………………．６３５．３．３电磁场与温度场相互耦合的实现………………………………………………．６５５．４感应加热实际工况模拟与分析…………………………………………………………６６５．４．１工况模拟工艺参数与材料特性参数……………………………………………．６６５。
桥梁摩擦摆支座技术研究报告
2 减隔震原理
同高阻尼支座、铅芯支座及钢阻尼支座一样，摩擦摆支座也是一种减隔震支座， 其减隔震原理如下。 2.1 减震原理
常规工况下，固定支座最大转角、横向支座最大转角、纵向/双向支座最大转角分
别为：
α1
=θ
，α2
=
e0 SR
，α3
=
e1 SR
地震工况下，固定支座最大转角、横向支座最大转角、纵向/双向支座最大转角分
别为：
α
' 1
=
e2 SR
，
α
' 2
=
e2 SR
，
α
' 3
=
e SR
双曲面支座结构在常规位移、地震工况下都会引起梁体抬高,其 GD、HX 及 ZX 结构
SR——曲率半径，对于双曲面为上下曲面球心距，单位为毫米（mm）； R——大半径，双曲面为上曲率半径，单位为毫米（mm）； r——小半径，双曲面结构下曲率半径，单位为毫米（mm）； h——球心距，上下滑板外露高度与球冠衬板高度和，单位为毫米（mm）； T——等效周期，单位为秒（s）； e——纵向活动支座纵向桥综合位移，单位为毫米（mm）； e0——横向位移，单位为毫米（mm）； e1——纵向位移，单位为毫米（mm）； e2——地震位移，单位为毫米（mm）；
1
桥梁型摩擦摆式减隔震支座
技术研究报告
技术研究报告
1 背景
1985 年，美国的 Zayas 等人提出摩擦摆减隔震理念，同年由美国地震保护体系 （EPS）公司研制而成，并首先用于房屋建筑，而后应用到桥梁、大型储油罐等结构上。 摩擦摆支座由于其具有结构尺寸小和可以控制结构隔震周期等优点，因此在世界各地 迅速推广开来，欧洲德国及意大利等桥梁构件厂家后续跟进，国内以河北衡水宝力公 司涉及较早，并在 2013 年颁布了交通运输行业标准 JT/T852-2014，中船重工下属 725 研究所得子公司河南洛阳双瑞公司与同济大学范立础院士、李建中教授合作开发了桥 梁双曲面结构摩擦摆支座，也已上升为行业标准 JT/T927-2014，并在国家重点桥梁工 程苏通大桥及港珠澳大桥等项目中得以应用。后续其他厂家在两者的基础上，进行了 结构改进和材料配方研究，并取得了骄人的业绩。
摆式仪法检测摩擦系数作业指导书
T0964-2008摆式仪法检测摩擦系数作业指导书一目的和适用范围及标准本方法适用于以摆式摩擦系数测定仪（摆式仪）测定沥青路面、标线或其他材料试件的抗滑性，用以评定路面或路面材料在潮湿状态下的抗滑能力。
二仪具与材料本试验需要下列仪具及材料：（1）摆式仪：摆及摆的连接部分总质量为1500士30g,摆动中心至摆的重心距离为410士5mm测定时摆在路面上滑动长度为126士1mm,摆上橡胶片端部距摆动中心的距离为510mm橡胶片对路面的正向静压力为22.2 士0.5N。
橡胶物理性质技术要求（2）橡胶片：当用于测定路面抗滑值时，其尺寸为6.35mmx 25.4mmx 76.2mm橡胶质量应符合上表的要求。
当橡胶片使用后，端部在长度方向上磨耗超过 1.6mm或边缘在宽度方向上磨耗超过3.2mm或有油类污染时，即应更换新橡胶片。
新橡胶片应先在干燥路面上测试10次后再用于测试。
橡胶片的有效使用期为1年。
（3）滑动长度量尺：长126mm（4）喷水壶。
（5）硬毛刷。
（6）路面温度计：分度不大于1 C。
（7）其它：皮尺或钢卷尺、扫帚、粉笔等。
三方法与步骤3.1 准备工作（1）检查摆式仪的调零灵敏情况，并定期进行仪器的标定。
当用于路面工程检查验收时，仪器必须重新标定。
（2）对测试路段按随机取样选点的方法，决定测点所在横断面位置。
测点应选在行车道的轮迹带上，距路面边缘不应小于im并用粉笔作出标记。
测点位置宜紧靠铺砂法测定构造深度的测点位置，一一对应。
3.2 试验步骤（1 ）仪器调平①将仪器置于路面测点上，并使摆的摆动方向与行车方向一致。
②转动底座上的调平螺栓，使水准泡居中。
（2）调零①放松上、下两个紧固把手，转动升降把手，使摆升高并能自由摆动，然后旋紧紧固把手。
②将摆向右运动，按下安装于悬臂上的释放开关，使摆上的卡环进入开关槽，放开释放开关，摆即处于水平释放位置，并把指针抬至与摆杆平行处。
③按下释放开关，使摆向左带动指针摆动，当摆达到最高位置后下落时，用左手将摆杆接住，此时指针应指零。
摆式仪测定路面摩擦系数试验原理
摆式仪测定路面摩擦系数试验原理宝子们，今天咱们来唠唠摆式仪测定路面摩擦系数这个事儿。
这可挺有趣的呢！咱先得知道为啥要测路面的摩擦系数呀。
你想啊，咱们在路上开车、骑车或者走路，要是路面滑溜溜的，那可太危险啦。
就像在冰面上走路似的，一不小心就摔个大屁蹲儿。
所以呢，这个摩擦系数就像是路面的一个小秘密，我们得把它找出来，看看这路面到底安不安全。
那摆式仪是咋工作的呢？这个摆式仪啊，就像是一个小小的探险家。
它有一个摆锤，这个摆锤可调皮了。
当我们把摆式仪放在路面上的时候，这个摆锤就开始它的表演啦。
摆锤会从一定的高度自由下摆，就像小朋友从滑梯上滑下来一样，“嗖”的一下就下去了。
当摆锤的底部的橡胶滑块接触到路面的时候，就会受到路面的摩擦力的阻挡。
这个摩擦力就像是一个小怪兽，在和摆锤的冲劲儿对抗呢。
如果路面摩擦力大，那这个小怪兽就很厉害，能把摆锤很快地拉住，摆锤摆动的距离就短。
要是路面摩擦力小呢，就像小怪兽很弱，摆锤就会摆得比较远。
然后呢，摆式仪上有个小装置，它能把摆锤摆动的情况记录下来。
这个记录就像是小摆锤的日记一样，告诉我们它和路面小怪兽战斗的结果。
根据这个结果，我们就能算出路面的摩擦系数啦。
你可别小看这个摩擦系数哦。
不同的路面材料，摩擦系数可不一样呢。
比如说，那种粗糙的水泥路面，摩擦力就比较大，就像一个长满了小刺的刺猬，能把脚或者车轮紧紧地抓住。
而那种很光滑的沥青路面，如果质量不太好或者被磨损得厉害，摩擦力就小，就像抹了油的盘子一样滑。
在实际的道路建设和维护中，这个摆式仪测定的摩擦系数可太重要啦。
要是发现某段路面的摩擦系数不符合标准，那就得赶紧想办法。
要么是重新铺设路面，要么是做一些防滑处理。
这就好比我们发现鞋子不防滑了，就得给鞋子加个防滑垫一样。
而且啊，不同的天气对路面摩擦系数也有影响呢。
下雨天的时候，路面会被雨水打湿，就像给路面穿上了一件滑溜溜的雨衣。
这时候，摩擦系数就会变小。
所以啊，在下雨天开车的时候，司机们都得小心翼翼的，因为路面这个小调皮变得更难捉摸啦。
支座摩擦系数测试试验研究
ｐａ ｒ ｋ ｓ ｔ ａ ｄ ｉ ｕ ｍ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ， ｔ ｈｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｅ ｘ ｐ ｏ ｕ ｎ ｄｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ｐ ｓ ａ ｎｄ ｍａ ｉ ｎ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ ，
１ 试验 简 介 该体 育 场 钢结 构 工 程 下部 为 钢劲 性 柱 、钢骨
２ 测 试 方 案 ２ ． １ 试 验 原理
梁等 ； 上部 为 罩棚 结 构 。罩 棚结 构 为 主结 构 ， 包 含 主拱 、 径 向桁 架 、 侧 向桁架 、 背拱 等 ． 均为管桁架 。 主 拱拱 脚 设置 预 应力 拉 索 罩 棚 结 构最 高 点 为上 罩棚４ ９ ＿ ３ ｍ． 下 罩棚 最 高 点 为４ ３ ． ５ ｍ． 主拱 最 高 点 为４ ３ ｍ， 主拱跨 度２ ８ ０ ． ７ ｍ。 其 结构 采用 四边形 钢 管 桁 架拱 及 平 面 主次桁 架 体 系 拱 外 侧悬 挑 的上 下 罩 棚 以及 拱 与剪 力墙 之 间的屋 盖 采 用 平 面主 次桁 架， 桁 架 之 间设 置斜 向撑杆 ． 在屋 盖 端 部设 置 环 向 桁 架 背拱 。对上 部 罩 棚结 构 的 主拱 下 滑 移支 座 进
谢军． 丁智霞 ： 支座 摩 擦 系数 测 试 试验 研 究
谢 军 。 丁 智霞
（ １ ． 江 苏科 迪 建设 工程 质量检 测有 限公 司 ， 江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ； ２ ． 东南大 学土木 工程 学院 ， 江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） 摘要 ： 结合 实际工程 某体 育场钢 结构 主拱 支座 摩擦 系数 测试试 验 ， 阐述 了支座摩擦 系数 测试 的相 关步骤 和
摩擦副性能仿真分析与磨损性能研究
摩擦副性能仿真分析与磨损性能研究摩擦副是工程中常见的一种机械传动装置，它通过两个物体的相对运动产生摩擦力来实现传递动力或变换运动的目的。
但是，由于长时间的摩擦运动，摩擦副部件会出现磨损现象，导致传动效率下降、噪音增加、寿命缩短等问题。
因此，对于摩擦副的性能分析和磨损性能研究具有重要意义。
在工程实践中，为了减小摩擦副部件的磨损，提高传动效率和寿命，常常需要进行性能仿真分析和磨损性能研究。
本文将从仿真分析和磨损性能两个方面来探讨这一问题。
首先，我们来看一下摩擦副性能的仿真分析。
通过仿真分析可以准确地预测摩擦副在不同工况下的性能指标，如载荷承载能力、摩擦系数、摩擦功率损失等。
这些指标可以为工程师选择合适的材料和设计参数提供参考，从而优化摩擦副的设计。
常用的仿真方法包括有限元法、多体系统动力学仿真、热力学仿真等。
通过这些仿真方法，可以快速准确地获得摩擦副的性能数据，为后续研究奠定基础。
其次，我们来谈谈磨损性能的研究。
摩擦副部件的磨损是由于摩擦表面之间的接触应力和相对运动而产生的。
了解摩擦副材料的磨损机理，可以帮助我们选择合适的材料和润滑方式来减少磨损。
目前常见的研究方法包括实验研究和数值模拟研究。
实验研究可以通过磨损试验仪来模拟真实的工作条件，探究不同工况下摩擦副的磨损规律。
而数值模拟研究则可以通过建立摩擦副的数学模型，利用计算机仿真软件进行磨损分析，预测摩擦副的磨损情况。
这些研究方法相辅相成，可以为我们深入理解摩擦副的磨损机理提供重要的理论支持。
除了上述两个方面的研究，我们还需要关注摩擦副磨损的常见问题及其解决方案。
例如，在高温和高压工况下，摩擦副的磨损会更加严重。
为了解决这一问题，可以选择具有良好高温高压性能的材料，或者采用润滑剂来减少摩擦表面之间的接触应力。
另外，摩擦副中的油膜形成和断裂也是一个重要的问题。
通过优化润滑条件和设计参数，可以改善油膜的形成和破坏过程，从而减少摩擦副的磨损。
总结一下，摩擦副的性能仿真分析和磨损性能研究对于提高工程装置的传动效率和寿命至关重要。
摩擦摆支座
S2 (第2形状系数）
橡胶直径 D 橡胶总厚度 nt R
其中，D为橡胶支座直径， tR为单层橡胶厚度。
理论公式的修正
理论的假定条件：微小变形理论，内部钢板的全刚化，非压缩性材料 由于橡胶材料中有各种添加剂，因此理论上计算的名义弹性模量与实 测值并不对应，因此根据橡胶硬度引入修正系数，如下式：
竖向刚度
叠层橡胶支座的压缩刚度KV可以从下述公式和纵弹性模量Ec的关系 中求得。
Ecb A TR Ec Eb ；Ec E0 (1 2S12 ); E0 2(1 )G，橡胶泊松比取 0.5，代入得 Ec E b
KV
式中，Ecb
Ec 3G (1 2S12 ); TR 为橡胶层总厚度； A为截面面积；Ecb修正的压缩时弹性模量 。
2
(S1S 2TR / H ) 1, 式中，平方根S 12 S 22非常大， 1 2 2(1 2S1 G / Eb ) 上式可以近似为以下公 式：EbFra bibliotek cr
Pcr 1 H GA A 2 TR
H S S GS1S 2 1 2 2 T 2 ( 1 2 S G / E ) R 1 b
整理为 ' Pu M 0 H 0 x (6)
u ' （ P） H 0 (7)
2
式中
8(1 2S12G / Eb )
输入地震动
地震动给结构带来的输 入能量E，由E 速度换算值VE 1 mV 2来定义VE 2 2E , 式中M为总质量, 一次地震对一个结构物 带来的输入能量， M 即速度换算值VE 和基本周期的关系，称 为能量谱。 VE (T ) 1 3h 1.2 h 2 加速度反应谱A(T ) VD (T ) T 式中VD (T )为速度反应谱， VE (T )为能量反应谱， h为阻尼比，A(T )为加速度反应谱。 速度反应谱VD (T ) 规范中地震作用是以层 剪力Ci的形式给出的： Ci Z Rt Ai C0 式中Z为区域系数，Rt 为振动特性系数， Ai 为层间剪力系数分布， C0为标准剪力系数。 取Z 1.0，C0 1.0，A1 1.0，则第一层的剪力系数 为：C1 Rt 上式可认为是由地震动 加速度反应谱除以重力 加速度 VE , BCJ A(T ) C1而得到的 g g T Rt A(T ) T (1 3h 1.2 h )VD (T ) (1 3h 1.2 h ) (1 3h 1.2 h ) 2 2
摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究
尤请注意篇首页下各项信息以及图表、公式、参文的规范书写，详参《书写简则》各项条款摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究龚健，邓雪松, 周云（广州大学土木工程学院，广州510006）摘要：介绍了摩擦摆隔震支座的基本构成和隔震原理，利用力学平衡原理对摩擦摆隔震支座进行了理论分析，推导出摩擦摆隔震支座的刚度和等效粘滞阻尼比，构造了摩擦摆隔震支座的滞回模型，并探讨了该支座的自回复能力，得到了其最大残余位移计算公式。
采用有限元软件ABAQUS对摩擦摆隔震支座进行实体单元建模，模拟低周反复荷载作用下该支座的滞回特性与回复特性。
研究结果表明：（1）理论分析和数值模拟结果吻合较好，验证了提出的滞回模型和最大残余位移计算公式的正确性；（2）摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满，具有良好的滞回性能；（3）摩擦摆隔震支座的刚度与球面半径成反比，可能的最大残余位移为摩擦系数和球面半径的乘积；（4）该支座的最大应力出现在支座位于设计位移时刻，且一般位于滑块或支座板球铰面边缘。
关键词：摩擦摆隔震支座；低周反复；滞回特性；回复能力；摩擦系数；球面半径中图分类号：TU352.1 文献标识码：Study on the Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Friction Pendulum BearingGONG Jian, DENG Xue-song, ZHOU Yun(School of Civil Engineering , Guangzhou University , Guangzhou 510006 , China; )Abstract:The basic structure and seismic isolation principle of friction pendulum bearing(FPB) are introduced, theoretical analysis study on FPB based on the principle of mechanical equilibrium is conducted, the stiffness and effective viscous damping ratio of FPB are derived and also the hysteretic model is constructed while its recovery mechanism is discussed and the computing formula of maximum residual displacement is obtained as well. Moreover, the model with solid element of FPB is built by using ABAQUS software, the hysteretic property under low cyclic loading and recovery characteristic are simulated. The results show that: (1) the results of numerical simulation agree well with theoretical analysis, the hysteretic model and the computing formula of maximum residual displacement proposed are verified; (2) FPB has favorable hysteretic property according to its plump hysteretic curve; (3) the stiffness of FPB is inversely proportional to the spherical radius, and the probable maximum residual displacement of FPB is the product of friction coefficient and spherical radius.; (4) the maximum stress of bearing appears when the bearing reaches its designed displacement, and it may generally situate in the edge of ball joint surface of slider or bearing plate.Key words: friction pendulum bearing; low cyclic; hysteretic property; recovery capability; friction coefficient; spherical radius收稿日期：2010-02-08基金项目：广东省自然科学基金研究团队项目（8351009101000001）资助作者简介：龚健（1987-），男，工学硕士。
变曲率摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟
Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Variable Curvature Friction Pendulum Isolation Bearing
DENG Xue song , GONG J ian , ZHOU Yun
( Schoo l of Civ il Eng ineering , Guangzhou U niversit y , Guang zho u 510006 , P. R . China)
51
dissipat ion; 3) t he stif fness o f t he V CF P is det er mined by curvat ur e radius, t hat is, sliding surf ace funct ion. And it s st if fness decreases w ith t he increase of bear ing displacement t hr oug h rat ional design. And then its iso lation per io d increases as t he displacement increases and t he low f requency resonance pro blem of isolat ed st ruct ur es can be w ell solved; 4) compared w it h FP B, t he sof tening mechanism of st iff ness can make the shear fo rce tr ansf erred t o superstr ucture decrease; 5) t he maxim um st ress of bearing appears w hen t he bearing reaches it s designed displacement, and in general it m ay sit uat e in the edge of ball joint surf ace of slider o r bearing pl at e 6) t he max im um r esidual displacem ent of VCFP depends on bo th fr ict ion coef ficient and t he param et ers of sliding surf ace funct ion, t herefo re, param et ric design based o n analysis or simulat io n is necessary so as to cont ro l t he max im um value in an accept able range in engineering . Key words: v ariable curvat ure f rict ion pendulum isolat ion bearing ; cyclic loads; hy st er esis; r ecovery capability ; f rict ion coeff icient ; curvat ure radius
一种新型摩擦摆支座在单层球面网壳结构中的隔震控制效应
一种新型摩擦摆支座在单层球面网壳结构中的隔震控制效应ZHUANG Peng;LIU Pei;HAN Miao【摘要】提出了一种新型超弹性摩擦摆支座(superelasticity-friction pendulum bearing,S-FPB),考察了其在考虑周边支承单层球面网壳结构中减震控制性能.首先,结出了S-FPB的构造设计和理论模型,进而,通过有限元模拟研究了S-FPB的力学性能.随后,将上述新型隔震装置引入单层球面网壳结构中,基于ABAQUS建立了受控结构的分析模型.最后,对结构进行了非线性时程分析,利用结构的动力特征响应指标,评估了受控和无控网壳的抗震性能.研究结果表明,所研发的隔震系统有助于改善单层球面网壳结构的抗震性能.【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(044)003【总页数】13页(P808-820)【关键词】单层球面网壳结构;隔震;摩擦摆支座;形状记忆合金;地震响应【作者】ZHUANG Peng;LIU Pei;HAN Miao【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TU393.30 引言理论和实验研究表明，振动控制技术通过隔离和耗散地震能量，可以有效提高建筑结构的抗震性能。
常用的被动控制装置，如隔震支座、阻尼器和耗能支撑，已经开始被引入到大跨网壳结构的抗震研究中[1-2]。
摩擦摆支座(friction pendulum bearing，FPB)是一种典型的滑动隔震装置[3-4]，该隔震支座已成功应用于建筑结构和桥梁结构的基础隔震和高位隔震，并越来越为各国工程设计人员所接受。
近年来，科研人员开始关注FPB在空间网壳结构中的隔震减振性能，并取得了一些研究进展[5-9]。
已有的研究表明，使用FPB可以有效降低受控网壳结构的地震响应。
然而，空间网壳结构在振动过程中的受力较为复杂，可能对FPB产生竖向拉拔作用，对此，一些研究人员提出了抗拉型FPB装置以克服这一难题[10]。
数值仿真技术在摩擦学研究中的应用
数值仿真技术在摩擦学研究中的应用摘要：文中介绍了两种三维粗糙表面数值模拟方法，即：采用ANSYS的APDL语言编程通过参数化变量方式生成随机粗糙表面；用W-M分形函数来表征表面的微观形貌。
在建立的几何模型基础上能方便地进行摩擦学过程建模。
本文的研究为有限元分析软件在微尺度摩擦学中的应用提供了一种方法，同时也对与分形特征相关的摩擦学模型的进一步研究具有指导作用。
关键词：摩擦学；粗糙表面；数值模拟；分形Application of Numerical Simulation to TribologyChen Chong Feng Li Wu ZhenyuShanghai Navy Equipment Repair Monitor Section，Shanghai，200136Abstract：In this paper two kinds of method for simulation of rough surface topography are presented, which are by using of ANSYS Parametric Design Language and the Weierstrass-Mandelbrot fractal function to realize modeling random rough surface. It is convenient to modeling tribological process based on simulation of rough surface topography. The study provides a method for the application of FEA software to microscale tribology, and is also a guide for further study of tribology models related to fractal characteristics.Key words：Tribology；Rough Surface；Numerical Simulation；Fractal1 引言无论是铸、锻或是机械加工以及其他方法形成的固体表面都存在高低不等、形状各异的凸峰和凹谷，甚至经过精密研磨后的光学平镜表面也存在分布不规则的粗糙表面形貌[1]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｔｉｍｅｓ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ， ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅ． ｓｅａｒｃｈ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅ ｐｅｎｄｕｌｕｍ ． Ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｆｒｉｅ． ｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍ ｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｒｉｃ ｔｉｏｎ ｃｏｅｍｃｉｅｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｒ ｎｏｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ
引 言
摩擦 摆 支座 （Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｐｅｎｄｕｌｕｍ Ｂｅａｒｉｎｇ，即“ＦＰＢ”）通 过摆 动延 长上 部结 构 的 自振周 期 实现 隔震 功 能 ，并 通 过滑 动摩 擦副耗 散 地震 能量 实现减 震 功能 ，且支 座转 动 摩擦 副 满 足上 部 结构 的转动 要 求 。 目前 摩 擦 摆支
１７６
世 界 地 震 工 程
第 ３４卷
座 已 由单球 面 摩擦 摆支 座演 变成 双球 面摩擦 摆 支座 和多 球 面摩 擦 摆 支座 等 ，并逐 步 在 程 应 用 中得 到 广 泛 推 广 ㈠ 。￣ｉｒｇｉｎｉｏ等 针对 ＦＰＢ的滑 移摩 擦特 性 分 别 进 行 了试 件 和实 体 支 座 的摩 擦 试 验 ，发 现 影 响 支 座 隔震性 能 的主要 参 数为球 面 曲率半 径 和摩擦 系 数 。李雄 彦 等 对 Ｍｏｋｈａ等 一 新 型铜 基 面 滑动 摩 擦 材料 进 行 了耐久 性 与可靠 性研 究 ，表 明摩擦 摆 支 座 的摩 擦 系 数 与 接触 面 的材 料 特 性有 关 ，还 与支 座 的 竖 向简 载 及 滑动 速度 有关 。曾聪等 和苏 良建 。。分 别对 摩擦 滑移 支座及 摩 擦 摆 支座 的摩擦 系数 的影 响 素 进行 了 研 究 ，影 响摩擦 系数 的主要 因素有 正压 力及 滑移 速度 等 ，其 中摩 擦 系数 与 正压 力呈 反 比关 系 ，而 Ｌｊ滑 移速 度 呈 正 比关 系 ，当滑移 速度 达到 一定值 时 ，摩擦 系数 趋 于不 变 。在 实 际桥 梁 隔震 体 系 中 ，ＦＰＢ的摩 擦 系 数一 般 通 过摩 擦材 料在 滑 动速度 或竖 向压 力下 来测 量 ¨ 。董擎 对基 于 ＦＰＢ的城市 大跨 连续 梁桥 进行 ｒ减震 性 能 研究 ，为 了保证 ＦＰＢ的 自复 位 能力 ，其 摩 擦 系数 取 值 不 宜过 大 。王建 强 等 ｌＩ 分 析 了 支 座位 移 、楼层 加 速 度及 楼 层剪 力 与支座 摩擦 系数 的相 互影 响 ，当地震 作用 强 度 越大 ，摩 擦 系数 对 支座 位 移 的影 响 越 大 ，而对 楼 层 加速 度 和楼层 剪力 的影 响越 小 。
第 ３４卷 ，第 ２期 ２０１８年 ６月
世 界 地 震 工 程 ＷＯＲＬＤ ＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
文章 编 号 ：１００７—６０６９（２０１８）０２—０１７５—０６
Ｖｏ１．３４．Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０１８
摩 擦 单 摆 支座 等 效 摩 擦 系数 数值 仿 真及 试 验研 究
．
ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｅｌｉｍ ｉｎａｒｉｌｙ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｅｏｅ佑 ｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｖｅｒｉ— ｆ ｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｈｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ
．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒ ｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｆｒ ｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆ ｉ ｃｉｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｖ； ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｅａｒ ｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅ ｐｅｎｄｕｌｕｍ
频率三者关 系的研究 ，对 比分析 了模拟结果 与试验 结果 。结果 表 明 ：当滑 动面 与转动 面的摩擦 系数
为不 同取值 时 ，支座等效摩擦系数 的模拟值略 大于理 论值 ，初步验 证 了支 座等效 摩擦 系数理论公式
的正确性 ；通 过模 拟结果与试验结果 的对 比分析 ，进一步验证 了该理论公式 的合理性 。
关键词 ：桥梁结构 ；等效摩擦 系数 ；数值仿真 ；试 验研究 ；摩擦单摆支 座
中 图分 类号 ：Ｕ４４２．５５
文献 标 志码 ：Ａ
Ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔ ｆｏｒ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｌｉｄｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｉｍ ｐｌ
（株洲 时代新材料科技股份有限公司 ，湖南 株洲 ４１２００７）
摘 要 ：对摩擦单摆支座 的主要参数等效摩擦 系数进 行 了数值 仿真 及试验研 究 ，为桥梁 结构 的减 隔
震设计提供 了参考 。数值仿 真包括 等效 摩擦 系数与滑动面和转动面 的摩擦 系数 、竖 向承载力及加 载
收稿 日期 ：２０１７—０４—１９； 修订 日期 ：２０１７—１１—１７ 基金项 目：株洲时代新材料科技股份有 限公 司基础研发项 目（ｊｚ—Ｐ一１５—００２） 作者简介：王伟强 （１９８６～），男 ，工程师 ，硕士 ，主要从事桥梁 、建筑减隔震技术研究．Ｅ－ｍａｉｌ：４１０１３０９０４＠ｑｑ．ｔｏｍ