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粗糙表面加卸载接触性能研究

陈建江  
【摘要】:工程实际中处处存在着相互接触的表面,并且表面间的接触行为对零件和机器的工作性能具有重要影响,尤其在摩擦、润滑、导电、导热等领域,因而一直都是接触力学和摩擦学研究的重点研究对象。本文基于分形理论,建立了粗糙表面在一个加载-卸载的接触循环内的接触力学模型,结合频率指数对微凸体大小的影响,来研究粗糙表面的力学性能。本文首先基于Weierstrass-Mandelbrot函数,模拟二维和三维分形粗糙表面,并分析分形参数的作用,得知了表面的粗糙度随分形维数D增大而减小;轮廓参数G与分形维数D的作用相反;频率指数范围也对粗糙表面有很大的影响。其次,基于分形理论,建立了二维和三维粗糙表面弹塑性加卸载接触力学模型,推导出单个微凸体发生弹性变形、第一弹塑性变形、第二弹塑性变形以及完全塑性变形的临界值,建立了粗糙表面上微凸体变形状态的评价体系,获得对应条件下微凸体加、卸载的力学表达式。根据加载终点与卸载起点接触面积和压力不变规则,修正已有的面积分布函数,分别给出了加、卸载接触过程中不同频率指数微凸体对应的分布函数,最终推导得加、卸载接触过程中整个粗糙表面的接触压力和真实接触面积的关系。结果表明:在一个加、卸载接触循环内,粗糙表面加、卸载接触的力学性质取决于微凸体频率指数的范围。当微凸体的最小频率指数nmin满足nmin+ 5 ≤ nec,粗糙表面在整个加卸载接触过程中呈现弹性性质。当nminnec,表面微凸体发生弹塑性变形产生的接触面积和接触压力占比较大,在相同的总接触压力条件下,卸载过程中的真实接触面积大于加载过程中的真实接触面积,接触下压量越大,卸载过程中的真实接触面积与加载过程中的真实接触面积的差越大。最后,使用Leica DCM 3D获得粗糙表面的形貌参数,转化为理论模型所对应量值代入模型,之后进行粗糙表面接触性能试验,并将试验结果与本文模型的计算结果进行了对比,验证了本模型的合理性与可行性。


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