接触（Contact）与摩擦行为（Frictional Behavior）的机理与应用
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文一：
如何在生物材料中选择离散或连续的界面以实现强度-韧性的权衡
摘要：
许多生物材料，如珍珠层、骨骼和龟壳角质层，能够成功地实现强度和韧性之间的权衡，这归因于软硬相形成的堆叠微观结构。然而，在这些生物材料中，一些生物材料的软相形成界面是连续的，而一些则是离散的。本文建立了一个考虑弹塑性离散界面的剪切滞后模型，揭示了不同生物材料中两种界面的选择机制，从而解决了强度和韧性之间的权衡问题。基于剪切滞后模型，对于任意数量的界面结合段的一般情况，获得了硬界面相中的应力和位移以及软界面相中的剪切应力的理论解。进一步获得了代表体积单元（RVE）的有效应力和有效应变之间的关系，从而可以分析交错生物复合材料的强度和韧性。进一步进行基于3D打印样本的相应实验以验证理论预测。研究发现，当硬相和软相具有相当的机械性能时，如龟壳角质层中的机械性能，界面保证了高的载荷传递效率，从而在血小板中产生极限应力，而其离散分布导致界面剪切应力水平高于连续结合界面。这种材料-结构的共同作用导致了硬相断裂和软相失效的混合损伤模式，从而导致了极好的强度-韧性折衷。然而，如果两相的机械性能显著不同，如珍珠质材料或骨骼中的机械性能，则离散界面应导致界面失效的独特损伤模式和硬相的低利用效率。相反，在这种情况下，连续的界面更有利于在强度和韧性之间取得平衡。所有结果表明，生物材料基于软硬相力学性能的差异，选择不同的界面结构来满足强度和韧性匹配的要求。这种选择机制为具有良好强韧性匹配的人造复合材料的优化设计提供了直接参考。
图：考虑离散界面的剪切滞后模型。（a） 交错组合的示意图和代表性单元的选择；（b） 脆性薄片和弹塑性界面层的应力-应变本构关系；（c） 在晶胞中通过离散的界面片段结合的两个血小板（n＝1的特殊情况对应于部分结合的界面）。
图：在RVE中的（a）纯弹性界面段、（b）左部分屈服界面段（k=p）、（c）右部分屈服界面片段（k=q）、（d）仅一个部分屈服界面区段（p=q）和（e）完全屈服界面区段结合的血小板元件的力平衡示意图。
图：具有部分粘结界面的3D 打印复合材料样品。
图：(a)复合强度、(b)复合韧性和(c)不同粘结长度部分粘结界面微观损伤模式的实验结果。硬相和软相具有相当的力学性能(弹性模量比为5:2，强度比为2:1)。
图：(a)复合强度，(b)复合韧性和(c)离散粘结界面情况下的微观损伤模式的实验结果与不同长度的右手段。硬相和软相具有相当的力学性能。
图：界面结构对真实生物材料力学性能的影响。（a） 研究了具有连续界面和离散界面的珍珠层交错复合材料的拉伸应力-应变关系；（b） 具有连续和离散界面的龟壳类角质层交错复合材料的拉伸应力-应变关系。
图：珍珠层状和龟壳角质层状复合材料的有限元模拟。（a） 具有离散和连续界面的有限元模型；（b） 具有离散界面和连续界面的珍珠层状复合材料的微观损伤模式；（c） 具有连续界面和离散界面的龟壳角质层状复合材料的微观损伤模式。
文二：
多尺度表面粗糙度对裂缝渗透率的影响
摘要：
我们通过直接的数值模拟系统地研究了表面粗糙度在粗糙裂缝中流体流动中的作用。首先生成不同相对粗糙度的随机粗糙分形曲面，然后利用小波分析方法对粗糙分形曲面进行分解。在水平层过程中对不同频率的地表拓扑信息进行滤波，大尺度波度基本保持不变。为了探索表面粗糙度在不同长度尺度范围内的影响，我们对不同流动条件和裂缝间距下的每个近似水平进行了模拟。研究结果揭示了不同尺度下相对粗糙度和粗糙度细节对涡流形成过程中惯性引起的非线性流动行为的影响。我们进一步提出了一个误差指标来描述在地表剖面描述中由有限分辨率引起的渗透率的相对误差。我们的分析表明，在不同的近似水平和相对粗糙度下，表面渗透率的相对误差可以很好地用所提出的指标来描述宽范围的流动条件和裂缝孔径。这项研究提供了多尺度粗糙度在粗糙裂隙流体流动中的作用的见解。
图：表面轮廓的特征。
图：这项工作中关键步骤的流程图。
图：不同表面剖面的速度场。为了清楚起见，只显示了模拟域的一个子域。颜色条显示速度大小。实线表示流线。
图：不同近似水平下的表观渗透率由相应表面的渗透率归一化而非近似。
文三：
压电材料振动诱导的纳米摩擦调制
摘要：
机械振动作为固体/液体润滑剂的一种替代应用，已成为在宏观尺度上调节摩擦的有效手段。最近，原子力显微镜（AFM）实验和模型模拟也表明，尽管通常需要额外的外部振动源来激励系统，但纳米级接触界面也具有类似的振动诱导的减摩效果。在这里，通过沿着接触界面引入压电薄膜，我们证明了当施加交流（AC）电压时，通过导电AFM探针测量的摩擦可以显著降低（超过70%）。这种实时摩擦调制是由于源自固有逆压电效应的局部纳米级振动而实现的，并且适用于各种材料组合。借助Prandtl–Tomlinson（P–T）摩擦模型的分析，我们的实验结果表明，振动振幅与滑动能量波纹扰动的相对因子之间存在近似线性的相关性。这项工作为实现小规模界面的主动摩擦调制提供了一种可行的策略，而不需要额外的振动源或可能对设备功能产生不利影响的全局激励。
图：显示了在由压电薄膜的反压电效应引起的振动驱动下进行摩擦测量的实验装置的示意图。
图：摩擦和振动振幅信号随驱动频率的变化。
图：（a） 在一阶弯曲共振和二阶弯曲共振时，摩擦和弯曲振幅信号随驱动电压振幅的变化，误差条表示在相同偏压下重复扫描期间信号的标准偏差；以及（b）在一阶和二阶弯曲共振处的摩擦与弯曲振动振幅的关系信号。
图：微悬臂梁振动模式的有限元模拟和进一步的实验验证。（a） AFM探针的光学图像（上面板）和模拟中使用的FEM模型（下面板）；（b） 一阶（实线）和二阶（虚线）弯曲模式的计算形状；以及（c，d）当激光点（c）靠近边缘或（d）有意向基底移动时，使用新探针在一阶和二阶弯曲共振处的摩擦与弯曲振幅信号，插图是显示不同测量期间激光点位置的光学图像，误差条表示数据的标准偏差。
图：使用P–T摩擦模型的数值模拟。（a） 示意图显示了一维P–T模型，该模型由于平面外外部驱动而具有扰动能量波纹；（b） 作为针对不同相对扰动振幅计算的致动频率的函数的平均摩擦；以及（c）作为在两个谐振频率下计算的相对扰动幅度的函数的平均摩擦。
文四：
单晶纳米划痕中的摩擦磨损：附着力和塑性的影响
摘要：
摩擦和磨损是两种主要的摩擦学行为，对于不同性质的接触表面来说，这两种行为截然不同。传统的研究通常集中在特定的材料（例如，铜或铁）上，使得摩擦学结果不适用于其他接触系统。在本文中，我们使用一组以粗粒电位为特征的虚拟材料，通过在原子光滑表面上刮擦刚性尖端，研究了界面附着力和材料塑性对摩擦和磨损的影响。由于粘附力和塑性对纳米划痕过程的综合影响，揭示了以下发现：（1）对于界面粘附力主导摩擦的浅接触，随着粘附力增加到临界值，摩擦系数和磨损率都会增加。对于塑性占主导地位的深度接触，摩擦系数和磨损率的变化随着附着力的变化而受到限制。（2） 对于弱界面粘附和强界面粘附，摩擦系数对划痕深度表现出不同的依赖性，而磨损率随着划痕深度的增加而变高。（3） 随着材料硬度的增加，浅接触和深接触的摩擦系数和磨损率都会降低。
图：(a)纳米划痕模型的几何形状。(b)划痕过程的两步加载。
图：不同划痕深度下两种附着力的磨损率
文五：
考虑棘轮效应的高速铁路道岔三维滚动接触有限元分析
摘要：
本文介绍了一个车轮-道岔-轨枕系统的三维有限元模型，其中包含一个循环本构模型，该模型准确地捕捉了轨道钢在循环载荷下的非线性硬化行为。同时，采用隐显混合有限元方法研究了道岔的瞬态滚动接触特性。通过动力学分析，研究了在不同过岔速度和循环次数下，道岔的瞬态滚动接触状态、道岔的应力应变响应以及轮轨力。研究发现，在轮对跨越过程中，基本轨上的接触应力保持相对稳定，翼轨和长心轨出现多点接触，长心轨表面的接触应力更为显著。在同一循环中，随着交叉速度的增加，长尖轨面上的接触应力逐渐上升。在相同的交叉速度下，随着循环次数的增加，轮对与长心轨的接触位置逐渐向后移动，接触位置的顶部宽度逐渐扩大。同时，车轮中心垂直位移的波动范围减小，轮缘远离长心轨。此外，在钢轨上观察到棘轮应变的逐渐累积，并且长尖轨上的棘轮应变显著超过基本轨上的。研究结果将有助于为长心轨临界截面轮廓的优化设计提供参考，对道岔的维护和维修具有指导意义。
图：高速道岔示意图: (a)道岔的结构; (b)一个选定道岔; (c)(b)在使用七个月后出现裂缝的道岔。
图：关键截面示意图。
图：轮对道岔轨枕三维有限元模型：（a）结构图；（b） 三维有限元模型。
图：U71Mn热处理钢轨钢的模拟和实验结果：（a）应变循环下应力幅值随循环次数的演变曲线；（b）应力循环（300±700 MPa）下的循环应力-应变曲线；（c） 应力循环（300±700MPa）下棘轮应变随循环次数的演变曲线。
图：循环滚动载荷示意图。
图：翼轨、长心轨和基本轨在不同穿越速度下的接触应力等值线：（a）200km/h；（b） 250公里/小时；（c） 300公里/小时；（d） 350公里/小时。
图：不同交叉速度下垂直轮轨力的响应：（a）200 km/h；（b） 250公里/小时；（c） 300公里/小时；（d） 350公里/小时。
图：不同速度下车轮中心位移的变化: (a)垂直位移; (b)横向位移。
图：在250 km/h的交叉速度下，不同循环的长心轨和基本轨上危险截面的等效塑性应变轮廓：（a）第一循环；（b） 第三周期；（c） 第五个周期。
