[发明专利]一种考虑微凸体相互作用的粗糙表面接触模型构建方法及系统

说明书

本发明公开了一种考虑微凸体相互作用的粗糙表面接触模型构建方法及系统，包括：将粗糙表面的接触力学行为转化为一个粗糙表面与一个刚性光滑平面的接触问题来处理；分析单个微凸体的接触力学行为，利用样板函数建立单个微凸体的接触载荷和真实接触面积模型；考虑微凸体间的相互作用，建立微凸体间平均相互作用的变形量C模型；利用统计学方法，将单个微凸体的接触模型扩展至整个粗糙表面中，建立考虑微凸体相互作用的接触载荷和真实接触面积模型。本发明对单个微凸体接触模型进行了修正，并考虑微凸体相互作用的影响，提高了粗糙表面接触模型的建模精度。

技术领域

本发明属于结合面微观接触机理研究技术领域，特别涉及一种考虑微凸体相互作用的粗糙表面接触模型构建方法及系统。

背景技术

粗糙表面的接触问题是摩擦学中最重要的研究课题之一。理解和明确物体之间的接触力学行为，对研究润滑、摩擦、磨损及热传导等具体的工程实际问题具有十分重要的作用。经典接触力学普遍假设物体的接触表面是光滑连续的，当两物体接触时，实际接触面积与名义接触面积相等。由于粗糙表面的接触实际是上下表面微凸体的相互作用，使得实际接触面积远远小于名义接触面积，真实接触面积承受过大的接触载荷，导致接触面的压溃、磨损，引起接触零部件的失效。因此，研究粗糙表面在接触过程中真实接触面积与接触载荷的关系，对提高接触零部件的承载能力和使用寿命具有十分重要的理论指导作用。

目前，粗糙表面接触模型的建模方法，普遍是通过分析微凸体弹性、弹塑性和完全塑性三种变形状态下接触参数的变化来建立其模型，但这些研究都忽略了平均微凸体相互作用的作用机理，从而影响了相邻微凸体的接触行为，导致了微凸体高度分布的偏移，降低了粗糙表面接触模型的建模精度。

综上所述，亟需一种新的粗糙表面接触模型构建方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑微凸体相互作用的粗糙表面接触模型构建方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的建模方法，能够使理论模型更加准确。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种考虑微凸体相互作用的粗糙表面接触模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1，获得粗糙表面的微观形貌参数，包括：微凸体的密度η、微凸体的曲率半径R以及粗糙微凸体高度的标准偏差σ；

步骤2，将粗糙表面的接触力学行为转化为一个粗糙表面与一个刚性光滑平面的接触，获得等效的接触模型；

步骤3，提取步骤2获得的接触模型中单个微凸体与刚性光滑平面的接触力学行为，利用样板函数建立单个微凸体的接触载荷和真实接触面积模型；其中，将单个微凸体的接触过程分为弹性、弹塑性和塑性变形三个阶段；

步骤4，利用微凸体高度分布概率密度函数，将单个微凸体的接触刚度模型扩展至整个粗糙表面；考虑微凸体相互作用的影响，获得微凸体间平均相互作用的变形量C，对实际微凸体接触数目进行修正；建立考虑微凸体相互作用的粗糙表面接触模型。

本发明的进一步改进在于，步骤3的单个微凸体的接触过程中：

在弹性阶段，弹性阶段微凸体的变形量ω、真实接触面积a_e与接触载荷f_e的关系为，

式中，E为两接触材料的复合弹性模量，R为微凸体顶端等效曲率半径；

在塑性变形阶段，塑性变形阶段微凸体的接触面积a_p、接触载荷f_p分别与变形量ω之间的关系为，

a_p(ω)＝2πRω，f_p(ω)＝Ha_p＝2πRωH；

式中，H表示两接触面中较软材料的硬度；