考慮實(shí)際表面形貌的冪硬化彈塑性材料接觸特性.pdf

1、接觸現(xiàn)象廣泛存在于工程應(yīng)用中，如機(jī)床、軸承、齒輪等機(jī)械設(shè)備與構(gòu)件的結(jié)合部。接觸現(xiàn)象對(duì)機(jī)械設(shè)備性能具有重要的影響。從微觀角度來(lái)看，結(jié)合部相互接觸的表面都是粗糙的，包含著很多微凸體。當(dāng)粗糙表面間相互接觸時(shí)，實(shí)際上是微凸體之間發(fā)生接觸。同時(shí)，一些工程材料在硬化階段表現(xiàn)出冪次硬化的特性，即冪硬化彈塑性材料。目前，關(guān)于冪硬化彈塑性材料接觸的研究仍不充分。因此，為研究?jī)缬不瘡椝苄圆牧辖Y(jié)合部的接觸特性，本文首先考慮單個(gè)微凸體間的法向和切向接觸行為;然

2、后通過(guò)分析接觸表面上微凸體的幾何特征和位置分布，以及微凸體之間相互作用的影響，來(lái)研究粗糙表面間的接觸特性;最后，基于微凸體間法向和切向接觸研究，考慮微凸體間側(cè)峰接觸方式，建立微凸體法向接觸剛度模型，并通過(guò)考慮微凸體幾何特征、位置分布以及微凸體間相互作用，建立冪硬化彈塑性材料接觸表面間法向接觸剛度預(yù)測(cè)模型，并在結(jié)合部試件上對(duì)法向剛度模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　首先，考慮單個(gè)微凸體與剛性平面間的法向和切向接觸過(guò)程。在法向接觸方面，主要采用

3、有限元方法分析法向加、卸載過(guò)程中接觸載荷、接觸面積等接觸參數(shù)的變化規(guī)律，并通過(guò)對(duì)有限元結(jié)果的擬合，得到法向接觸參數(shù)函數(shù)關(guān)系式。同時(shí)，考慮應(yīng)變硬化指數(shù)、泊松比等不同材料屬性對(duì)法向接觸參數(shù)的影響。研究表明，在單個(gè)微凸體法向加卸載接觸過(guò)程中，應(yīng)變硬化指數(shù)對(duì)接觸參數(shù)具有較大的影響，泊松比對(duì)接觸參數(shù)也有一定的影響。在切向接觸方面，分別考慮單次切向加載過(guò)程和循環(huán)切向加卸載過(guò)程。針對(duì)單次切向加載過(guò)程，采用有限元方法分析該過(guò)程中切向接觸力、接觸面積、M

4、ises應(yīng)力、接觸壓力等切向接觸參數(shù)的變化規(guī)律，研究應(yīng)變硬化指數(shù)對(duì)上述切向接觸參數(shù)的影響，并得到切向力和接觸面積的經(jīng)驗(yàn)公式，該經(jīng)驗(yàn)公式在較大的無(wú)量綱法向載荷范圍內(nèi)較為準(zhǔn)確。針對(duì)循環(huán)切向加卸載過(guò)程，同樣建立相關(guān)有限元模型，考慮包括切向力、耗能、塑性變形及接觸面積在內(nèi)的切向接觸參數(shù)變化規(guī)律，以及應(yīng)變硬化指數(shù)對(duì)切向接觸參數(shù)的影響。
　　然后，考慮冪硬化彈塑性材料面一面接觸的接觸特性。一方面，建立考慮微凸體間相互作用的面一面接觸解析模型。

5、測(cè)試得到接觸表面實(shí)際形貌，通過(guò)微凸體識(shí)別方法得到接觸表面上微凸體的位置分布和幾何特征，然后考慮微凸體接觸對(duì)基體位移的影響，即微凸體間相互作用，得到粗糙表面接觸時(shí)的法向和切向接觸參數(shù)。基于上述面一面接觸解析模型，研究不同材料屬性如應(yīng)變硬化指數(shù)、彈性模量與屈服強(qiáng)度比以及泊松比等對(duì)微凸體間相互作用的影響。研究表明，接觸表面實(shí)際形貌及基體基準(zhǔn)線的選擇在研究微凸體間相互作用時(shí)扮演重要角色。應(yīng)變硬化指數(shù)和彈性模量與屈服強(qiáng)度之比對(duì)微凸體間相互作用的影

6、響較為明顯，而泊松比對(duì)微凸體間相互作用的影響幾乎可以忽略。另一方面，建立面一面接觸數(shù)值模型。采用小波技術(shù)對(duì)測(cè)量得到的接觸表面原始形貌進(jìn)行簡(jiǎn)化，并利用逆向工程技術(shù)對(duì)簡(jiǎn)化后的表面進(jìn)行重構(gòu)。然后建立有限元模型，分析剛性平面與簡(jiǎn)化后粗糙表面間的法向和切向接觸過(guò)程，得到相應(yīng)接觸參數(shù)。通過(guò)面一面接觸解析模型和仿真模型結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證解析模型的正確性。
　　最后，研究?jī)缬不瘡椝苄圆牧辖Y(jié)合部法向接觸剛度?；谖⑼贵w間側(cè)峰接觸方式，改進(jìn)單個(gè)微凸體與

7、剛性平面間接觸時(shí)的法向和切向接觸參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)考慮接觸表面上微凸體的位置分布和幾何特征，以及微凸體間相互作用的影響，建立冪硬化彈塑性材料結(jié)合部法向接觸剛度預(yù)測(cè)模型。分別在不同材料和類型的兩種結(jié)合部，即小型通用結(jié)合部以及導(dǎo)軌一安裝面結(jié)合部上對(duì)法向接觸剛度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。一方面，針對(duì)小型通用結(jié)合部，按照所建立法向剛度模型預(yù)測(cè)法向接觸剛度的流程，預(yù)測(cè)結(jié)合部法向接觸剛度。通過(guò)法向接觸剛度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，得到小型通用結(jié)合部的法向接觸剛度實(shí)驗(yàn)