[发明专利]考虑微凸体基体变形的结合面接触热阻三维分形预测方法

说明书

本发明提供一种考虑微凸体基体变形的结合面接触热阻三维分形预测方法,涉及机械结合面技术领域。该方法首先用更能贴近实际情况的结合面表面形貌三维分形函数替代二维分形函数，并将微凸体的接触变形量用此三维函数波峰和波谷的幅值差表示；然后计算微凸体弹性变形阶段的弹性临界变形量与临界接触面积及微凸体基体的变形量；最后，建立结合面总法向载荷与接触面积之间的关系及结合面总法向载荷与结合面总接触热阻之间的关系。本发明提供的考虑微凸体基体变形的结合面接触热阻三维分形预测方法，得到结合面接触热阻比较准确，更贴近实际情况，可为机械热态分析中结合面的接触热阻提供理论依据。

技术领域

本发明涉及机械结合面技术领域，尤其涉及一种考虑微凸体基体变形的结合面接触热阻三维分形预测方法。

背景技术

在机床或各类机械设备的制造及装配中，机械结构一般都不是一个连续的整体，包含大量的零部件，装配零部件间的接触面称为结合面。机械设备在工作过程中，各组件、各部件及整个机械设备都会处于各种热源的作用下，这样在组件内部就会形成一定的温度场，从而使机械结合面不可避免的产生热变形，从而影响机械结构的整体性能。因此从理论上研究结合面的接触行为，在设计阶段就能预测结合面的热特性，对于提高机械加工设备的稳定性和加工精度显得尤为重要。

对于结合面接触热阻的研究，一部分学者在经典赫兹接触理论(Hertz)的基础上，假设结合面微凸体的高度分布近似高斯分布并从统计学的角度出发，建立了机械结合面的接触热阻微观统计接触模型；另一部分学者基于分形理论，利用面积分布函数和表征结合面表面形貌的分形函数建立了机械结合面的接触热阻分形接触模型，从而避免了微观统计接触模型受表面形貌测量仪器分辨率和采样长度影响的缺点。

虽然在国内外学者的不懈努力下，机械结合面的接触热阻模型一直在不断地发展完善着，但是在重载条件下利用现有接触热阻模型计算结合面间的接触热阻仍有较大误差。其主要原因在于：现有结合面接触热阻计算模型没有考虑微凸体基体变形的影响作用，在重载条件下，结合面间微凸体相互作用产生基体变形对接触热阻计算的影响较大，不能忽略；同时，现有机械结合面接触热阻计算模型忽略了微凸体三维表面分形分布的特点。因此在重载条件下，利用现有理论方法并不能准确地计算出结合面的接触热阻。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种考虑微凸体基体变形的结合面接触热阻三维分形预测方法，实现在重载条件下计算结合面的接触热阻。

考虑微凸体基体变形的结合面接触热阻三维分形预测方法，包括以下步骤：

步骤1、模拟结合面微凸体的三维轮廓：使用更贴近结合面表面形貌实际情况的三维分形函数替代二维分形函数，并将微凸体的接触变形量用此三维分形函数的波峰和波谷的幅值差表示，如下公式所示：

δ＝2^(11-3D)/2G^D-2(lnγ)^1/2π^(D-3)/2a^(3D)/2

其中，δ为结合面表面单个微凸体的接触变形量，γ为频率密度相关参数，γ＞1，一般取1.5，D为结合面表面的分形维数，2＜D＜3，G为结合面表面的分形尺度系数，a为结合面表面单个微凸体实际弹性接触面积；

步骤2、分别计算弹性变形阶段，结合面表面单个微凸体的变形量与临界接触面积，具体方法为：

步骤2.1、根据经典赫兹接触理论，结合面两粗糙表面相互接触时，用一个等效微凸体粗糙表面与一个光滑刚性平面接触来表示，则结合面表面单个微凸体实际弹性接触面积a为等效粗糙表面上变形的单个微凸体与刚性光滑平面相交的截面面积，如下公式所示：

a＝πRδ

其中，R为结合面表面单个微凸体的曲率半径；

步骤2.2、计算结合面表面单个微凸体在弹性变形阶段的弹性临界变形量和弹性临界接触面积；