[发明专利]一种三维粗糙表面接触面积的计算方法

说明书

本发明公开了一种三维粗糙表面接触面积的计算方法，该方法将MATLAB的解析模型与有限元软件COMSOL的仿真模型相结合，首先依据分形理论在MATLAB软件中模拟生成三维各向异性粗糙表面，并在COMSOL软件中对具有不同材料特性参数和表面形貌特征的弹塑性粗糙表面的接触行为进行数值仿真计算；根据结合面材料特性参数与分形参数，在MATLAB中构造结合面接触面积的数学模型，并将仿真获得的接触压力数值解导入该数学模型中计算接触面积解析解，实现了粗糙接触体接触面积的解析计算与仿真验证，根据COMSOL的仿真结果可实现对数学模型的进一步修正，为后续接触面积影响下的接触电阻及接触热阻的研究提供了理论依据。

技术领域

本发明属于结合面微观接触机理研究领域，具体是一种基于COMSOL和MATLAB的三维粗糙表面接触面积的计算方法。

背景技术

接触电阻存在与包括电力线路(强电)和电子线路(弱电)的所有电气回路中的电连接器的接触表面上，是评价电连接器工作稳定性和安全可靠性的重要指标，而接触面积的大小是影响接触电阻的一个重要因素。

在实际接触模型当中，接触表面是具有一定粗糙度的不规则表面，受此影响，两个表面的实际接触发生在离散的接触对上，每个接触对可简化为一对微凸体。所有微凸体的接触面积之和为实际接触面积。因此，研究粗糙表面在接触过程中实际接触面积与接触载荷的关系，对进一步研究接触电阻、提高电接触零部件的承载能力和使用寿命具有十分重要的理论指导作用。

对于结合面实际接触面积的研究，一方面，部分研究学者在赫兹接触理论的基础上，从统计学的角度出发，提出了一系列的统计学微观接触模型。该类模型将实际粗糙表面简化为由高度随机或指数分布的球形或其它形状的微凸体构成的表面，在加快计算速度的同时也为模型引入了误差，存在误差的原因主要有：粗糙面严重依赖于仪器对粗糙表面波数范围的探测精度，无法精确的刻画出粗糙表面形貌特征。另一方面的研究是，随着计算机技术的提高和数值计算方法的发展，数值计算方法逐渐被应用到接触力学领域，成为一种常用的接触面积研究方法。部分学者分别对具有不同泊松比、表面粗糙度等参数的粗糙表面接触问题进行了研究，也得到实际接触面积和接触压力近似成正比例关系的结论。

但是上述两类方法均未实现针对弹塑性粗糙表面的接触行为进行系统性的研究，尚不明确弹塑性粗糙表面实际接触面积演变规律及其影响因素，进而影响接触结构分析和后续依据该结构进行的接触电阻及接触热阻计算的精确度。同时多数模型在建立接触模型时依据的是二维接触曲线，与实际三维接触特性不相符。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种三维粗糙表面接触面积的计算方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种三维粗糙表面接触面积的计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、设定等效粗糙面的微观形貌参数，再在MATLAB软件中根据微观形貌参数生成等效粗糙面的点云数据，再将点云数据导入有限元软件COMSOL中，利用COMSOL中的参数化曲面功能来构建等效粗糙面；

步骤2、在COMSOL中，将步骤1构建的等效粗糙面作为一个虚拟接触件的接触面，得到粗糙接触体；将另一个虚拟接触件的接触面设置为刚性光滑平面，得到刚性光滑接触体；两个虚拟接触件共同构成等效三维接触模型；

步骤3、在COMSOL中，确定两个实际接触件的各自的材料特性参数，进而计算出粗糙接触体的材料特性参数；再将计算出的粗糙接触体的材料特性参数导入COMSOL中，再导入材料硬化曲线和几何体位移曲线；最后将刚性光滑接触体的材料特性参数导入COMSOL中；

步骤4、在COMSOL中进行物理场及初始条件设置：

刚性光滑平面设置为固定约束，等效粗糙面设置为指定位移，在指定位移处输入步骤3中导入的几何体位移曲线；

等效粗糙面加入积分算子；