考虑微凸体弹塑性过渡变形机制的结合面法向接触刚度分形模型

摘要： 基于粗糙表面微凸体变形的连续性和光滑性原理,研究了在法向载荷逐渐增加时的粗糙表面单个微凸体弹塑性过渡变形机制,提出了考虑弹塑性过渡变形机制的结合面微凸体微观接触模型,建立了法向接触载荷和法向接触刚度的数学模型;基于分形几何理论,建立了结合面法向接触刚度的分形模型,并对结合面法向接触刚度进行仿真计算.结果表明：在较小的塑性指数条件下,法向接触载荷与法向接触刚度近似呈线性关系;在较大的塑性指数条件下,法向接触载荷与法向接触刚度呈非线性关系;法向接触刚度随着分形维数和法向接触载荷的增加而增大,随着无量纲分形特征尺度系数的增大而减小;所得结合面法向接触刚度的仿真计算值与铣削加工和磨削加工条件下的实验值较吻合.     

考虑临界变形量变化的结合面法向接触刚度计算模型

考虑微凸体接触过程中临界变形量变化,建立结合面法向接触刚度计算模型.采用分形几何表征结合面的形貌特征,由表面形貌测量数据得到分形函数的分形参数D和G.采用弹塑性变形接触理论分析微凸体的接触变形特征,得到微凸体的临界变形量估计模型,其是分形参数和微凸体接触变形量的函数,进而得到考虑临界变形量变化的单个微凸体的接触刚度计算模型.由分形理论得到粗糙表面微凸体分布函数,微凸体分布函数与单个微凸体接触刚度计算模型结合得到结合面的法向接触刚度计算模型.通过对比计算结果与实验数据,验证了所提模型的合理性.     

摩擦因素对结合面法向接触状态的影响

基于综合考虑微凸体完全弹性、弹塑性和完全塑性的三维接触分形理论,并引入微接触点域扩展因子,进而考虑摩擦的影响,建立了修正的结合面法向接触模型。该模型的仿真研究结果表明,摩擦的影响使得临界弹塑性接触面积增大,从而使变形机制中弹塑性变形和塑性变形的比例增大;在相同的真实接触面积下,考虑摩擦因素影响所对应的接触载荷比不考虑摩擦因素影响所对应的接触载荷较小,且随真实接触面积的增大两种情况下所对应的接触载荷之间的差距将逐渐变大。同时还分析了不同参数条件对法向接触状态的影响。     

考虑硬度变化的结合面法向刚度建模

基于分形理论及M-B模型,引入微接触点域扩展因子,综合考虑微凸体弹性接触变形、弹塑性接触变形和完全塑性变形,进而考虑微凸体弹塑性变形阶段硬度随其几何形貌的改变而变化,建立对应的结合面法向接触刚度模型。通过软件仿真发现:考虑微凸体硬度随其几何形貌改变后,无量纲接触载荷较将硬度视为定值时要小,且随着分形维数的增大,二者差异在逐渐增大;考虑微凸体硬度随微凸体几何形状改变而变化后,结合面无量纲法向接触刚度相较将硬度视为定值时大;无量纲法向接触刚度随着无量纲接触载荷、分形维数和塑性指数的增大而增大,但随着无量纲特征分形粗糙度的增大而减小。     

结合面法向动态参数的分形模型

为了对结合面法向动态参数进行正确的理论计算,以分形接触理论为基础,建立了结合面法向动态参数的理论分形模型,揭示了接触刚度和接触阻尼与作用在粗糙表面上的法向载荷、粗糙表面材料性能常数,以及分形参数等因素之间的复杂关系,并对该模型进行了数值仿真.仿真结果表明:结合面的实际接触面积仅占名义接触面积的一小部分,降低表面粗糙度或增加法向载荷都将增大实际接触面积;接触刚度和接触阻尼与分形参数之间具有较强的非线性关系,而法向栽荷对接触刚度的影响较为明显,当栽荷增加时,刚度值也随之增大,但对接触阻尼的影响可以忽略.     

新的柔性结合部法向接触刚度和接触阻尼方程

以修正分形几何学理论和赫兹法向接触力学方程为基础,推导出了柔性结合部法向接触刚度与阻尼方程。假设峰元顶端的曲率半径为变量,提出了一种全新的求导函数而非偏导函数的求解方法,建立了单峰元与平面接触的法向接触刚度方程。数值模拟表明:峰元承担的法向弹性载荷与其顶端的变形量之间符合非线性幂函数凹弧关系;降低表面粗糙度或增加法向接触载荷都将增大实际接触面积;当表面粗糙轮廓分形维数在较小范围内时,实际接触面积随着表面粗糙轮廓分形维数的增加而增大,而当表面粗糙轮廓分形维数在较大范围内时,实际接触面积随着表面粗糙轮廓分形维数的增加而变小;降低表面粗糙度或增加表面粗糙轮廓分形维数与法向接触载荷皆将增加法向接触刚度;法向接触阻尼随着表面粗糙轮廓分形维数的增加先减小后增大;当表面粗糙轮廓分形维数小于临界值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增大而增大,而当表面粗糙轮廓分形维数超过转折点时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增大而减小;当法向接触载荷增大时,法向接触阻尼略微减小。     

固定接触界面法向静弹性刚度的改进弹簧分形模型

根据赫兹接触理论推导两个微凸体之间互相作用的法向接触静弹性刚度．使用改进分形几何理论给出结合部的总法向接触静弹性条件刚度、总条件载荷的解析解．根据文献[10]的机床结合部法向变形量一压应力的经验幂律关系形式,推导界面静弹性刚度、总载荷的表达式．工程粗糙表面的算例表明,总法向刚度载荷曲线与文献[10]的实验结论基本一致．改进分形几何理论为深入研究分形和提取结合部参数提供了坚实的基础．     

平面结合面切向接触阻尼分形模型及其仿真

基于接触分形理论和结合面接触阻尼耗能机理,以及球体与平面接触时的阻尼耗能理论,建立了平面结合面切向接触阻尼的分形模型,通过数值仿真直观揭示了平面结合面切向接触阻尼耗能与结合面法向载荷以及结合面表面粗糙轮廓分形维数之间的非线性关系.仿真结果表明:平面结合面切向接触阻尼的耗能随着结合面法向载荷的增大而减小;当结合面表面粗糙轮廓分形维数小于等于1.2时,平面结合面切向接触阻尼耗能随结合面表面粗糙轮廓分形维数的增大而增大;当结合面表面粗糙轮廓分形维数大于1.2时,平面结合面切向接触阻尼耗能随结合面表面粗糙轮廓分形维数的增大而减小.仿真结果验证了模型的有效性.     

一种考虑微凸体接触角分布的结合面侧接触分形模型

针对以往分形模型中忽略微凸体侧向接触和接触角度分布来源的问题，提出了一种考虑微凸体之间接触角分布的结合面接触刚度的侧接触分形模型。通过轮廓显微镜采集了接触表面的轮廓，采用三点峰方法将表面轮廓模型化，获得了相邻微凸体之间的水平距离及高度差的数据。利用功率谱密度法进行分析，发现相邻微凸体之间的水平距离和高度差均具有分形规律。根据所发现的分形规律，推导出两个微凸体相互接触时接触角的分布函数规律，然后采用分形理论建立了结合面的侧接触模型。基于这个模型，通过数值仿真，研究了分形参数、塑性指数、法向载荷系数及接触方式对结合面法向、切向接触刚度的影响。结果表明：无量纲切向接触刚度随着分形维数、塑性指数及法向载荷系数的增大而增大，随着无量纲分形尺度参数的增大而减小。对比有限元分析及模态试验的结果，发现二者最大相对误差为4.32%,相较LZT模型精度提高了46.8%,说明所提模型能够比较准确地预测结合面的接触刚度。     

一种考虑微凸体法向弹塑性接触的粗糙面力学模型

提出一种考虑微凸体弹塑性变形影响的接触载荷、接触面积的粗糙表面法向接触力学模型.将微凸体的接触变形分为3种状态,对完全弹性和完全塑性变形阶段分别采用Hertz弹性接触理论和AF塑性接触模型进行建模,并采用一阶幂指数函数描述混合弹塑性阶段的接触载荷和实际接触面积与接触变形之间的关系,再采用数理统计分析的方法建立了粗糙表面法向弹塑性接触模型.将此模型与完全弹性模型、CEB模型、ZMC模型、KE模型对比,研究了塑性指数对粗糙面接触载荷-平均接触距离的影响.结果表明,该模型能够更好地描述微凸体法向接触载荷与接触变形的变化趋势,模型预测的粗糙表面法向载荷与ZMC和KE模型具有较好的一致性;随着平均接触距离的增加,粗糙面接触载荷逐渐减少;随着塑性指数的增加,不同模型预测的法向接触载荷差异逐渐增大.     

基于泛形理论与概率统计理论的结合面接触刚度分析

泛形理论是根据分形理论逐渐发展而来的一种表征复杂几何形态的非线性方法。针对分形理论中结合面微凸体接触无限趋近于零的不合理现象,依据泛形理论和概率统计理论建立了粗糙表面与刚性平面接触的法向接触刚度数值模型。数值计算表明,法向接触刚度与复杂度表现出明显的非线性关系,并且随着复杂度的增大,接触刚度也随之增大。研究结论可供精密制造装备提供设计依据。     

考虑弹塑性变形机制的结合面静摩擦因数模型

在三维接触分形理论的基础上,从理论上建立了一种考虑微凸体的完全弹性、弹-塑性和完全塑性三种变形机制的结合面静摩擦因数三维分形模型。该模型反映了结合面法向载荷、分形维数以及分形特征尺度参数对结合面静摩擦因数的影响。仿真结果表明,静摩擦因数f随着无量纲法向接触总载荷P*的增大而增大;分形维数D的增大,先增大后减小;无量纲分形特征尺度参数G*的增大而减小;考虑弹-塑性变形机制的结合面静摩擦因数小于不考虑弹-塑性变形机制的结合面静摩擦因数。     

MB模型的修正及应用

由于MB模型存在3个缺陷,工程上会引入无法接受的误差.本文修正了MB模型的后两个缺陷.针对第2个缺陷,提出了实际临界接触面积、最小有效分形维数、量纲一的最大有效分形粗糙度参数、最小有效材料特性等术语.根据MB模型和提出的计算术语,对两弹塑性接触粗糙表面的接触行为及界面的静摩擦因数进行了研究.研究结果表明：界面的静摩擦因数首先随分形维数的增加而增加,然后随分形维数的增加而减小;界面的静摩擦因数随分形粗糙度参数的增加而减小,但随材料特性的增加而增加,也随总法向载荷的增加而增加;当分形维数较小或分形粗糙度参数较大或材料特性较小时,静摩擦因数-量纲一的总法向载荷曲线为凸弧.     

粗糙表面接触热阻的分形描述

空间制冷系统对精密探测元件的冷却是通过固体接触导热实现的，在真空低温环境下，它的冷却效果取决于界面的接触热阻．为了研究真空下接触界面的传热机理及其影响因素，采用Cantor集分形理论对固体粗糙表面的拓扑形貌进行了描述，基于固体的弹塑性理论解决了塑性守恒条件下的表面粗糙度在法向载荷作用下的变形问题，推导出基于分形理论的递归接触热阻网络模型理论．同实验数据的比较表明，理论计算和实验结果吻合良好，该模型能较好地描述接触界面的传热现象．     

界面损耗因子与法向阻尼的计算方法

基于赫兹法向接触力学方程与分形几何学理论对界面法向接触刚度进行分析,在改进原有计算模型的基础上,推导出界面法向接触刚度、损耗因子和法向接触阻尼计算方程.结果表明,所提出的计算方法能够较好地预测法向接触刚度、损耗因子和法向接触阻尼的变化规律.减小分形粗糙度和增大法向接触荷载均会使得法向接触刚度增大,而且随着分形维数的增大,法向接触刚度呈现出先增后减的变化趋势;增大分形粗糙度和降低法向接触荷载都会使得损耗因子升高,且损耗因子随着分形维数的增大而呈现出先减后增的变化趋势,当分形维数趋近于2时,损耗因子收敛于某一定值;法向接触阻尼随着分形维数的增大也呈现出先减后增的变化趋势,且其变化过程出现了2个拐点.当分形维数低于第1个拐点值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增加而增大;当分形维数超过第1个拐点值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增加而减小;当D≤1.4时,法向接触阻尼随着法向接触荷载的增大而减小;当D1.4时,法向接触阻尼随着法向接触荷载增大而增大.     

考虑三维结合部形貌的静摩擦因数非线性分形模型

考虑三维结合部形貌的W-M函数,推导了结合部静摩擦因数非线性分形理论模型.数值模拟了考虑三维形貌的结合部静摩擦因数与法向载荷P、分形维数D、分形尺度系数G的关系,以及在二维分形和三维分形模型中的差异.结果表明:结合部静摩擦因数与法向载荷成单调递增关系,与分形尺度系数成单调递减关系.当D小于2.5时,静摩擦因数随分形维数的增大而增大;当D大于2.5时,静摩擦因数随分形维数的增大而减小;三维分形下的静摩擦因数小于二维分形下的静摩擦因数.