[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

说明书

本发明提供了一种计算微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的方法，能够根据螺栓预紧力计算结合面的实际接触率。利用测得的统计学形貌参数Ra、Rq计算分形维数D与尺度系数G；然后，基于分子动力学方法建立单粗糙峰的接触模型，并从原子尺度构建纳米级粗糙峰在弹性‑弹塑性‑塑性变形阶段法向力f_n与接触面积a的关系；最后，结合单粗糙峰的接触力学特性和分形理论，获得微米级螺栓结合面预紧力F_p与实际接触面积A_r的关系，实现螺栓预紧力与栓接结构表面真实接触率的直接关联。本发明提供一种计算精加工栓接结构真实接触率的新方法，从原子层面揭示了螺栓结合面的微观接触特性，为螺栓结合面的真实接触率计算提供了新思路。

技术领域

本发明涉及真实接触率计算技术领域，具体为一种微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的计算方法。

背景技术

螺栓连接是机械装备中应用最为广泛的零部件连接方式之一。在螺栓连接中，如果结合面真实接触面积A_r越大，则连接可靠性越高。最理想的螺栓连接状态是结合面完全光滑，接触率为100％。然而现有的车铣刨磨等机械加工技术所得到的工件表面并非绝对光滑，在微观尺度上具有粗糙形貌，机械结构表面可看作由无数个大小不同的粗糙峰构成，界面真实接触面积A_r远小于名义接触面积A_n。随着精密机械的不断发展，机械结构表面越来越光滑，其粗糙度多可达到微米级别，单个粗糙峰甚至达到纳米级别，研究微米级螺栓结合面的实际接触率对有效提高零部件的连接可靠性具有重要意义。

目前获得不同预紧力作用下螺栓结合面真实接触率的方法主要有两种：第一种是通过声弹效应法、导波法、阻抗法、磁场法、超声波脉冲检测法、射线检测法等实验方法对实际工况中的螺栓结合面结构真实接触率进行测量。通过实验方法测量结合面实际接触率，其测量结果受螺栓型号、仪器分辨率以及实际工况的影响，误差较大，且工作量大，检测效率低，其通用性并不高。第二种则是从理论层面建立螺栓结合面的通用模型。在已有的建立与研究螺栓结合面微观接触模型的方法中，多用有限元分析方法建立单粗糙峰弹性接触模型，然后结合统计求和模型或分形理论建立整个粗糙面的接触模型。但是，有限元方法基于连续介质假设的传统理论，其最小计算尺度为微米级，对于单粗糙峰达到纳米级别的精密机械表面，有限元方法无法实现纳米尺度的接触力学分析，难以获得螺栓预紧力与结合面真实接触率的定量匹配关系。

发明内容

本发明为了克服上述不足，提供一种计算微米级粗糙度螺栓结合面真实接触率的方法。该方法包括步骤如下：

S1、测量结合面形貌参数Ra、Rq等，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-弹塑-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。

进一步地，所述S1具体包括步骤如下：

用粗糙度仪等仪器可以得到微米级螺栓结合面的形貌参数Ra、Rq或Sa、Sq 等，具体取决于仪器类型。选用的求解分形维数的方式为利用真实表面轮廓功率谱函数来计算。

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。则有

B＝2(D-1)lgG-lg(2lnγ)

k_p＝2D-5