[发明专利]一种考虑弹塑性接触连续单调的粗糙表面法向刚度建模方法

说明书

本发明公布了一种考虑弹塑性接触连续单调的粗糙表面法向刚度建模方法，包括如下步骤：测量接触表面的微观形貌数据，通过结构函数法获得结合面的特征分形参数；根据微凸体接触载荷、平均接触压力和接触面积随着变形量的增大连续单调递增的客观情况，建立微凸体弹塑性模型；结合分形理论建立结合面法向接触刚度模型；将结合面法向载荷、材料参数值和结合面特征分形参数代入法向接触刚度模型计算结合面法向接触刚度。本发明提出了一种考虑弹塑性接触连续单调的粗糙表面法向刚度建模方法，解决了微凸体在完全弹性、弹塑性和完全塑性变形阶段接触载荷、平均接触压力和接触面积的不连续、不单调和跳跃的问题提高了理论模型的精度。

技术领域

本发明属于结合面接触变形机理研究技术领域，特别涉及一种考虑弹塑性接触连续单调的粗糙表面法向刚度建模方法。

背景技术

近年来，工业技术迅猛发展，高精度、高集成度已然成为当代机械产品的重要评价指标以及发展方向，这就对整机的综合性能提出了更高标准。然整机性能往往取决各个机械结构，设计合理的机械结构对于整机性能的提高具有重要作用。机械结合面在机械结构中大量存在，研究结合面接触特性，完善和发展结合面接触理论，对于机械设备的整机优化设计以及提高其综合水平具有重要的指导作用。机械结合面由机械零部件表面之间相互接触构成，广泛分布于机床等机械设备中。宏观上看似光滑的机械表面，在显微镜下却呈凹凸不平的表面形貌。机械表面之间的接触本质是两表面微小凸起之间的接触，接触部分并非连续，而是由一个一个微小离散的接触点构成，使得机械整体不再具有连续性，也因此造成整机力学特性的复杂化。在实际工况下的机械结合面按接触状态分为静态和动态，其静态基础特性参数主要表现为静态接触刚度，动态情况下主要表现为动态接触刚度和动态接触阻尼。有研究表明，机床总刚度的60％-80％由机床机构中的结合面贡献。可见，机械结合面对机械设备整机的刚度特性有巨大且复杂的影响，是整机静、动态分析的关键点和难点所在。

针对现有微凸体模型在完全弹性、弹塑性和完全塑性变形阶段接触载荷、平均接触压力和接触面积的不连续、不单调、和跳跃的问题，重新建立微凸体弹塑性模型，考虑了截断面积和实际接触面积的关系以及分布域扩展因子对结合面特性的影响，建立弹塑性接触连续单调的粗糙表面法向刚度建模。该分形模型中的粗糙表面分形参数相比于统计模型的粗糙表面统计参数不受取样长度和测试仪器的分辨率的影响，具有客观唯一确定性的特性，本方法即可以为结合面进一步的研究提供理论基础，也提高了现有模型的计算精度。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种考虑弹塑性接触连续单调的粗糙表面法向刚度建模方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的建模方法解决了微凸体在完全弹性、弹塑性和完全塑性变形阶段接触载荷、平均接触压力和接触面积的不连续、不单调、和跳跃的问题，考虑了截断面积和接触面积的关系以及分布域扩展因子的影响，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：

一种考虑弹塑性接触连续单调的粗糙表面法向刚度建模方法，其特征在于包括如下步骤：

1)测量接触表面的微观形貌数据，通过结构函数法获得两接触表面的特征分形参数，即分形维数和分形粗糙度参数，并计算结合面等效粗糙表面的特征分形参数

计算结合面处的分形维数和分形粗糙度通过结构函数法获得，根据不同尺度对轮廓曲线的离散信号计算出相应的结构函数值，结构函数的定义为粗糙表面轮廓函数的增量方差，其表达式为：

S(τ)＝[z(x+τ)-z(x)]²＝Cτ^4-2D (1)

其中，τ代表水平方向上的数据步长，它可以是任意值，z(x)代表表面轮廓的测量值，D代表分形维数，系数C满足关系式其中，Γ代表第二类欧拉积分，G代表分形粗糙度参数。