考慮實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，如機床、軸承、齒輪等機械設(shè)備與構(gòu)件的結(jié)合部。接觸現(xiàn)象對機械設(shè)備性能具有重要的影響。從微觀角度來看，結(jié)合部相互接觸的表面都是粗糙的，包含著很多微凸體。當粗糙表面間相互接觸時，實際上是微凸體之間發(fā)生接觸。同時，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，為研究冪硬化彈塑性材料結(jié)合部的接觸特性，本文首先考慮單個微凸體間的法向和切向接觸行為;然

2、后通過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)測模型，并在結(jié)合部試件上對法向剛度模型進行實驗驗證。
　　首先，考慮單個微凸體與剛性平面間的法向和切向接觸過程。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，并通過對有限元結(jié)果的擬合，得到法向接觸參數(shù)函數(shù)關(guān)系式。同時，考慮應(yīng)變硬化指數(shù)、泊松比等不同材料屬性對法向接觸參數(shù)的影響。研究表明，在單個微凸體法向加卸載接觸過程中，應(yīng)變硬化指數(shù)對接觸參數(shù)具有較大的影響，泊松比對接觸參數(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程和循環(huán)切向加卸載過程。針對單次切向加載過程，采用有限元方法分析該過程中切向接觸力、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)驗公式，該經(jīng)驗公式在較大的無量綱法向載荷范圍內(nèi)較為準確。針對循環(huán)切向加卸載過程，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、測試得到接觸表面實際形貌，通過微凸體識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)、彈性模量與屈服強度比以及泊松比等對微凸體間相互作用的影響。研究表明，接觸表面實際形貌及基體基準線的選擇在研究微凸體間相互作用時扮演重要角色。應(yīng)變硬化指數(shù)和彈性模量與屈服強度之比對微凸體間相互作用的影

6、響較為明顯，而泊松比對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)對測量得到的接觸表面原始形貌進行簡化，并利用逆向工程技術(shù)對簡化后的表面進行重構(gòu)。然后建立有限元模型，分析剛性平面與簡化后粗糙表面間的法向和切向接觸過程，得到相應(yīng)接觸參數(shù)。通過面一面接觸解析模型和仿真模型結(jié)果的對比，驗證解析模型的正確性。
　　最后，研究冪硬化彈塑性材料結(jié)合部法向接觸剛度?；谖⑼贵w間側(cè)峰接觸方式，改進單個微凸體與

7、剛性平面間接觸時的法向和切向接觸參數(shù)的經(jīng)驗公式。通過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)合部以及導軌一安裝面結(jié)合部上對法向接觸剛度預(yù)測模型進行驗證。一方面，針對小型通用結(jié)合部，按照所建立法向剛度模型預(yù)測法向接觸剛度的流程，預(yù)測結(jié)合部法向接觸剛度。通過法向接觸剛度測量實驗裝置，得到小型通用結(jié)合部的法向接觸剛度實驗