[发明专利]一种微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的计算方法

权利要求书

1.一种微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的计算方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1、测量结合面形貌参数，包括Ra、Rq，计算微米级螺栓结合面分形维数D、尺度系数G等，然后根据分形理论构建整个粗糙表面的接触模型；

S2、利用分子动力学方法建立纳米级单粗糙峰接触模型，从原子尺度分析单粗糙峰的接触特性；

S3、对建立的纳米级粗糙峰模型进行弹性-弹塑性-塑性接触变形过程模拟，得到每个阶段对应的法向力-接触面积(f_n-a)表达式；

S4、根据得到的单粗糙峰法向力-接触面积表达式，结合分形理论公式推导整个螺栓结合表面预紧力与真实接触率之间的函数关系。

2.根据权利要求1所述的计算微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的方法，其特征在于：所述S1具体包括步骤如下：

用光学轮廓仪等形貌测量仪器可以直接获得微米级螺栓结合面的形貌参数Ra、Rq或Sa、Sq；首先，根据已知的螺栓结合面形貌参数，得到真实表面的自相关函数；对自相关函数R(τ)进行傅氏变换得到真实表面轮廓的功率谱；随后建立功率谱函数S(ω)与空间频率ω的双对数坐标函数，得到拟合直线的斜率k_p与截距B，由此即可计算出分形参数D、G的值；再根据所得的分形参数D、G，代入W-M函数即可得到三维粗糙表面的建模。

3.根据权利要求2所述的计算微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的方法，其特征在于：所述S2具体包括步骤如下：

模拟过程：首先系统弛豫，给定NVE系综，给定约束(刚性板与边界层不受外力)，令粗糙峰模型在恒温条件下以恒定速度向下运动，与刚性板接触并发生变形，根据时间变化，首先得到单个粗糙峰模型的变形量s；再得到单个原子张力，随后对Z方向的张力进行求和平均以及转化，即可得到单粗糙峰的法向力变化，同时计算获得随时间变化的真实接触面积。

4.根据权利要求3所述的计算微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的方法，其特征在于：所述S3具体包括步骤如下：

用步骤S2建立的模型对单个粗糙峰的弹性-弹塑性-塑性三个变形阶段进行模拟，得到法向力与真实接触面积之间的关系；对纳米级粗糙峰在弹性、弹塑性和塑性变形阶段的法向接触力-接触面积分别进行拟合，如下所示：

式中，f_e、f_ep、f_p——分别为粗糙峰纯弹性变形、弹塑性变形、完全塑性变形时的法向力；

a_e、a_ep、a_p——分别为粗糙峰纯弹性变形、弹塑性变形、完全塑性变形时的真实接触面积；

a_ec——粗糙峰由弹性状态进入弹塑性状态的临界接触面积；

a_pc——粗糙峰由弹塑性状态进入塑性状态的临界接触面积；

a_l——所有粗糙峰中最大的接触面积；

f₁、f₂、f₃——分别为三种不同的函数映射关系。

5.根据权利要求4所述的计算微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的方法，其特征在于：所述S4具体包括步骤如下：

根据预紧力F_p以及分形理论中载荷求解公式，获得不同预紧力下粗糙峰最大接触面积a_l；

式中，p_e、p_ep、p_p——粗糙峰在纯弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、完全塑性变形阶段的载荷；

n(a)——粗糙峰接触面积分布函数；

再根据a_l即可推导微米级螺栓结合面的实际接触面积A_r；

根据上述推导，螺栓结合面的法向载荷和真实接触面积都是关于a_l的函数，故而最终可以建立预紧力F_p与结合面实际接触面积A_r的关系；

再根据公式：

即可计算出螺栓结合面的真实接触率的值。