[发明专利]一种考虑弹塑性状态粗糙表面接触刚度的预测方法及系统

说明书

本发明公开一种考虑弹塑性状态粗糙表面接触刚度的预测方法，通过划分微凸体接触状态区间，通过自然对数函数的多项式表征微凸体弹塑性阶段接触载荷与法向变形量关系的方法，建立微凸体弹塑性状态接触解析模型，再结合弹性状态及塑性状态解析模型，建立单一微凸体接触解析模型，得到整个粗糙表面的接触解析模型，再与粗糙表面接触有限元模型计算结果进行对比，有效的提高了粗糙表面的法向接触刚度计算结果的精确度，减小了误差；本发明还充分考虑了粗糙表面微凸体间的不同接触状态之间的相互影响，从而对粗糙表面的法向接触刚度产生的影响，克服了承受较大载荷时，微凸体表面发生严重变形，导致粗糙表面的法向接触刚度计算结果不准确的缺点问题。

技术领域

本发明属于粗糙表面接触变形研究技术领域，涉及一种考虑弹塑性状态粗糙表面接触刚度的预测方法及系统。

背景技术

零件加工表面并非看似光滑的平面，在微观尺度下是由尺寸不同的大量微凸体组成的粗糙表面，使零件粗糙表面结合面处呈现出复杂的接触特性，是造成粗糙表面结合面上非线性动力学行为的主要原因。微凸体的接触特性会直接影响粗糙表面结合面的接触特性，由于微凸体分布的复杂性和不确定性，以及对粗糙表面结合面进行实验研究的困难性，建立粗糙表面结合面处的力学模型以表征粗糙表面结合面处的复杂接触特性，一直是研究的难点所在。

建立粗糙表面结合面处的力学模型的重点在于建立接触刚度及接触阻尼解析模型。接触刚度和接触阻尼作为描述界面接触特性的重要参数之一，对工程结构的动力学性能有显著的影响。研究表明：工程结构总刚度的60％-80％、总阻尼的90％来源于界面接触刚度和接触阻尼，不准确的接触参数模型会对机械结构的动力学行为预测产生不可接受的误差。

现有技术中，通过建立粗糙表面结合面处的力学模型以预测粗糙表面微凸体法向接触刚度依然存在较大误差。由于，在承受较大载荷时，粗糙表面的微凸体发生严重变形，从而导致粗糙表面的法向接触刚度的精确度低，误差较大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种考虑弹塑性状态粗糙表面接触刚度的预测方法及系统，通过划分微凸体接触状态区间，针对粗糙表面的不同接触状态分别进行建模，并且对该模型的有限元仿真验证，从而有效的提高了粗糙表面的法向接触刚度计算结果的精确度，且减小了误差。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种考虑弹塑性状态粗糙表面接触刚度的预测方法，其特征在于，包括，

S1、建立单一微凸体法向接触有限元模型，通过对单一微凸体法向接触有限元模型进行有限元仿真验证，计算得到单一微凸体法向接触有限元的仿真结果；

S2、根据S1中所述的单一微凸体法向接触的有限元仿真结果，确定微凸体的完全弹性变形阶段、弹塑性变形阶段及完全塑性变形阶段的分界点；通过自然对数函数的多项式表征微凸体弹塑性阶段接触载荷与法向变形量之间的关系并确定解析表达式，通过指数函数的多项式表征微凸体的弹塑性变形阶段接触面积与法向变形量之间的关系并确定解析表达式，并结合微凸体的完全弹性变形阶段及完全塑性变形阶段的解析表达式，建立单一微凸体法向接触解析模型；

S3、根据S1中所述的单一微凸体法向接触有限元模型，建立粗糙表面接触解析模型的有限元模型；

S4、根据S2中所述的单一微凸体法向接触解析模型和S3中粗糙表面接触解析模型的有限元模型，建立粗糙表面法向接触解析模型；

S5、根据S3中所述的粗糙表面接触解析模型的有限元模型对S4中所述的粗糙表面接触解析模型的进行有限元仿真验证，获得粗糙表面的接触载荷及接触面积，通过分析计算得到粗糙表面法向接触刚度。

优选的，S1中建立单一微凸体法向接触有限元模型，具体过程为：