表面微凸体形态对三体摩擦界面间隙的影响

Influence of surface micro-asperity shapeon three-body friction interface gapYANG Chuan-j iang， WANG Wei， MA Shu-quan， LIU Kun ·(School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract：The 2-D granular matter parallel shearing cel1 models with different shape of micro-asperitysurfaces were established by the explicit finite element method(FEM)to study the gap of the three-body friction interface.These models were applied to analyzing the influence of normal load and coeffi-cient of friction of contact pairs on the gap.The simulation results indicate that the gap decreases withthe increasing load in the pointed micro-asperity model，but the value almost remains stable in theblunt micro-asperity mode1.The gap increases with the coefficient of friction getting larger in the bothmodels，while the variation amplitude iS different.The results also show that the stability of granuleSystem closely relates to granule distribution structure and friction force among particles。

Key wordsthree-body friction finite element method(FEM)；interface gap；granule system0 引在机械工程领域中，摩擦界面中通常存在 自由游离的介质，将其称为第三体1]。第三体来源于 2个方面：① 摩擦过程中产生的磨屑，如磨粒磨损界面；② 人为导人或其他因素侵入的外界物质，如游离介质研磨/抛光加工以及颗粒流润滑界面等。自文献Eli提出三体摩擦的概念以来，众多研究表明，摩擦副中存在的第三体对摩擦界面具有重要影响1 ]。

目前，关于三体摩擦的研究主要是在微观、介观及宏观尺度上分别建立模型E 。如微观尺度上单个介质的受力、运动及形变；介观尺度上第三体的力链结构及其演化过程；宏观尺度上表现出的摩擦特性、承载能力和界面间隙等。对于三体摩擦界面，第三体在微观和介观尺度上状态的变化，最终将引起宏观特征的变化。研究表明，三体摩擦界面在剪切过程中的剪切膨胀现象L7]与颗粒的收稿日期：2012-11-19；修回日期：2012-12-25基金项目：国家自然科学基金资助项 目(51005067；51175136)作者简介：杨川江(1987-)，男 ，四川达州人，合肥工业大学硕士生；刘 妮(1963-)，男，陕西汉中人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师吉日648 合肥工业大学学报(自然科学版) 第 36卷1 000、2 000、5 000 kPa。第 1步模拟过程施加载荷，第 2步模拟过程施加速度，各步骤均采用逐级加载方式。

模型中，颗粒和下表面为弹性碳化硅，上表面为弹塑性钢，具体材料参数如下：SiC密度为3 210 kg/m3，钢密度为 7 850 kg/m。，SiC弹性模量为 480 GPa，钢弹性模量为 210 GPa，SiC泊松比为0.27，钢泊松比为0.3。

在钢材料塑性变形阶段，当真实应力为 418、500、605、695、780、829、882 MPa时，其剪切应变相应 为 0、0.016、0.030、0.056、0.095、0.150、0.250。

在三体摩擦界面剪切过程中，存在大量的颗粒与颗粒和颗粒与表面的接触摩擦行为，该模型采用了弹性滑移的罚函数摩擦模型。为研究颗粒与颗粒和颗粒与表面的摩擦力对剪切过程的影响，颗粒与颗粒和颗粒与表面的接触摩擦因数为 0、0.25、0.50、0.75。

2 分析结果与讨论2.1 载荷对界面间隙的影响图2所示为2个模型中界面间隙与载荷和接触摩擦因数的关系图，曲线 1和曲线 2分别表示载荷 P对尖锐和圆滑微凸体模型界面间隙的影响，曲线3和曲线4分别表示接触摩擦因数 对尖锐和圆滑微凸体模型界面间隙的影响。由图2可以看出，2个模型中界面间隙在不同载荷下存在明显差异，随着载荷的变大，尖锐微凸体模型的界面间隙减小，而圆滑微凸体模型的界面间隙基本保持不变，当载荷为5 000 kPa时，它们则几乎相等。这可能与边界颗粒和表面的接触相关，由赫兹接触理论可知，两物体接触的有效曲率半径与两物体在接触点的曲率半径相关。2个模型中颗粒半径相等，尖锐微凸体与颗劣触的有效曲率半径小于圆滑微凸体与颗劣触的有效曲率半径，即2个模型中虽然微凸体高度-致，其实质圆滑微凸体却相对光滑。

在低载荷时，颗粒之间和颗粒与表面的相互作用方式以碰撞为主，当表面变得光滑时，碰注生的概率低，因而在低载荷阶段 2个模型界面间隙差异明显。

随着载荷的增加，颗粒之间和颗粒与表面的相互作用方式逐渐转化为以挤压为主，此时界面微凸体形态对界面间隙的影响弱化。因此，随着载荷变大，2个模型的界面间隙差异变校0.54口0.51厘 0.48旧昧 0.450.420 0.25 0.50 0.75- 100 200 500 1 000 2 000 5 000p/kPa图 2 界面间隙与载荷及接触摩擦因数的关系由于颗粒体系状态与时间历程相关，图2虽然反映了载荷对界面间隙的影响，但并不能说明它的变化历程。图 3所示为不同载荷时界面间隙的变化历程图，曲线 1、2、3分别表示在尖锐微凸体模型中载荷为 100、1 000、5 000 kPa时界面间隙变化历程，曲线 4、5分别表示在圆滑微凸体模型中载荷为 100、5 000 kPa时界面间隙变化历程。从图 3可以看出，当下表面开始运动之后，下表面为尖锐微凸体的界面间隙受载荷影响较大，并随着载荷的增加而变小，其达到相对稳定状态所需时间变长。这是由于在低载荷下，颗粒之间的相互作用是以快速而频繁的碰撞为主；而当载荷较大时，整个颗粒体系更加致密，颗粒之间的作用方式主要是挤压，碰撞频率降低，因而颗粒体系达到相对稳定状态所需时间变长。当载荷为1 000 kPa时，两者差异可能是颗粒之间相互作用同时存在碰撞和挤压所致。

酴 00图3 不同载荷时界面间隙-时间历程2.2 接触摩擦因数对界面间隙的影响由图2可知，随着接触摩擦因数的增加，两模型的界面间隙都随之增加，但圆滑微凸体模型中的界面间隙增大趋势相对缓慢，这种差异可能是由于颗粒体系在剪切过程中的分布形态与颗粒之间摩擦力有关。

图4所示为不同接触摩擦因数下界面间隙的变化历程图，曲线 1、2、3分别表示尖锐微凸体模型中接触摩擦因数 为O、0.25、0.75时界面间隙第6期 杨川江，等：表面微凸体形态对三体摩擦界面间隙的影响 649变化历程，曲线 4、5分别表示尖锐圆滑微凸体模型中接触摩擦因数 为 0.25、0.75时界面间隙变化历程。从图 4可以看出，在不同接触摩擦因数时，尖锐微凸体模型中界面间隙在下压后差异巨大，而圆滑微凸体模型中界面间隙在下压后相等。

在剪切过程中，当 -0时，颗粒之间和颗粒与表面的接触不存在摩擦力，此时颗粒体系状态仅与颗粒分布形成的结构相关，并能很好维持。在尖锐微凸体模型中，当 -0.25时，界面问隙呈现不断下降的趋势；当 -0.75时，界面间隙在1 ms时出现突变，在该时刻前、后 2个阶段均显示出了很好的稳定性。在圆滑微凸体模型中，为 0.25、0.75时，界面间隙在 0.9 ms之前保持- 致，并表现出很好的稳定性，但 0.9 ms之后，两者分别出现突变和细微波动。

上述差异表明，三体摩擦界面中颗粒体系的稳定性与表面微凸体形态、颗粒与颗粒和颗粒与表面之间的摩擦力密切相关＄面间隙值的突变表明，在剪切过程中颗粒体系的稳定性由其分布形态结构起主导作用。

星恒 ～ 1 4 5图 4 不同接触摩擦因数界面间隙-时间历程2.3 剪切过程中边界颗粒运动三体摩擦界面剪切过程中，表现出的界面间隙变化是第三体形态分布的直接反应。为了进-步认识三体摩擦剪切过程界面间隙变化，现分析颗灵质在剪切过程中的运动情况。

底层颗粒(与下表面接触)是颗粒体系从下表面获得动能的过渡区域，它们与下表面的相对滑移对颗粒体系的运动具有决定性意义。图5所示为不同工况下底层颗粒沿 X方向的速度随时间变化情况，曲线1和曲线2分别表示尖锐微凸体模型中载荷为 100、1 000 kPa时底层颗粒 X方向运动速度变化历程，曲线 3和曲线 4分别表示圆滑微凸体模型中载荷为 100、l 000 kPa时底层颗粒 X方向运动速度变化历程。由图 5可以看出，当载荷为 100 kPa时，2个模型中底层颗粒速度的大小并无明显差异，当载荷为 1 000 kPa时，尖锐微凸体模型中底层颗粒速度较大，且能迅速达到极值点A，并保持相对稳定。而圆滑微凸体模型中底层颗粒速度较小，且出现大幅度波动，意味着圆滑微凸体模型中底层颗粒与下表面产生了较大滑移，这与文中描述的圆滑微凸体实质相对光滑具有-致性。

1.6- 1.20.84蓥o0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8t/ms图5 底层颗粒 X方向运动速度-时间历程图图6所示为模型中颗粒体系动能的时间历程，曲线 1和曲线 2分别表示在剪切速度为1 000 mm/s时尖锐微凸体和圆滑微凸体模型所有颗粒动能的变化历程。图中虚线 a将整个历程划分为 2个阶段，虚线 a之前为下压阶段，虚线 a之后为剪切阶段。从图 6可以看出，在剪切阶段，2个模型中颗粒体系获得的动能没有明显差别，但动能波动隋况却存在-定的差异。在尖锐微凸体模型中，颗粒动能出现 3次较大幅度的波动，在其余各时段都具有很好的稳定性。而圆滑微凸体模型中，颗粒动能出现2次大幅度的波动，其余各时段也都处于波动状态，即稳定性较差。这种差异与图 5中所描述的边界颗粒沿 X方向运动速度有关，并在变化趋势上具有-致性。

3 结束语图 6 颗粒体系的动能-时间历程本文利用有限元软件建立了无重力 2-D平行板剪切模型，利用该模型模拟计算了不同载荷和接触摩擦因数条件下，表面微凸体形态对三体摩(卞转第 687页)第 6期 彭 勇，等：基于概率神经网络的乳腺癌诊断系统 687够根据概率神经网络来自适应地学习乳腺组织的电阻抗特征和组织类别的对应关系，从而做出相应的诊断，并且能动态地监控乳腺组织的病变过程。该系统的优点是能够较为准确地诊断乳腺疾病，并且动态监控乳腺组织的电阻抗特征的变化来增强诊断的正确性。实验结果表明，该系统具有较高的准确性和鲁棒性。