[发明专利]一种基于三维微观表面形貌的接触特性分析方法

摘要

本发明公开了一种基于三维微观表面形貌的接触特性分析方法，适用于基于多尺度理论的结合面接触刚度、接触阻尼的研究。本方法通过三维形貌测量仪获取结合面表面形貌，采用小波变换进行多尺度分解重构，对分离出的不同频带的数据进行三维实体模型的建立。由于所建立的接触模型为基于真实表面数据且考虑不同尺度的影响，在很大程度上提升了接触模型的准确性，使结合面接触特性的研究更接近实际情况。采用小波变换对真实表面形貌高度矩阵进行多尺度分离，对分离出的不同频带的数据进行三维实体模型的建立。由于所建立的接触模型为基于真实表面数据且考虑不同尺度的影响，在很大程度上提升了接触模型的准确性。 1

主权项

1.一种基于三维微观表面形貌的接触特性分析方法，其特征在于：

1)运用三维形貌测量仪获取被连接件结合部表面形貌数据，表面形貌数据为二维矩阵，记为Z(x，y)，其中(x，y)为测量点的横、纵坐标值，Z(x，y)为对应点的高度；所获取的表面形貌数据格式为有限元软件可提取的txt格式；

2)运用小波滤波对采集到的表面形貌数据进行多尺度分解重构，将除去环境噪声后的表面形貌数据Z(x，y)进行一次小波变换分离出等效平面度Z_f(x，y)；对剔除等效平面度后的表面形貌数据进行第二次小波变换，分离出表面波纹度Z_w(x，y)；对剔除表面波纹度后的表面形貌进行第三次小波变换，分离出粗糙度Z_r(x，y)；对应的分解层数的确定根据公式

其中，λ_i为各尺度的临界波长，N_i，i∈{f，w，r}分别代表等效平面度尺度、波纹度尺度、粗糙度尺度对应的小波分解的次数，[]为取整运算符，

3)三维实体模型的创建采用自下而上的建模方法，即首先建立关键点，由这些关键点建立线，进而建立面和体；具体包含以下步骤：

首先根据分析需求选取分解重构后的相应频带的形貌数据，将采样点的坐标值导入ANSYS中创建关键点，运用APDL语言将每四个相邻的关键点连接成面，将生成的面群全选，输入实体高度进行拉伸操作，将拉伸后表面选中进行z坐标值修改，使之成为一个平面，接触件l体模型生成；

接触件2的构建，确定粗糙表面最高点的z坐标值z_m，以(0，0，z_m)为坐标原点建立局部坐标系，将建立的局部坐标系激活，将接触件2的表面形貌数据导入，参照接触件l体模型的生成方法，生成接触件2体模型；

4)对所构建的几何模型进行网格划分，具体包括：首先设置单元属性，对单元类型、实参数、材料参数进行定义；采用映射网格划分方法对两接触件进行六面体网格划分，通过控制线单元尺寸来控制单元数量，根据分析需求进行局部网格细化；

5)对划分好网格的体模型进行接触分析，具体包括：

定义接触面，目标面：方法中为两粗糙表面的接触，为柔体‑柔体接触问题，且两接触表面网格密度相同，所以根据接触材料硬度的不同来定义目标面与接触面，将硬度较小的定义为接触面，硬度较大的定义为目标面；

施加载荷和约束：对下连接体下表面施加固定约束，对上连接体上表面施加位移载荷；对划分好网格的体模型进行静态分析，求解后，从后处理器中获取其接触面积、接触压力。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维微观表面形貌的接触特性分析方法，其特征在于：

对表面形貌进行小波变换的过程中所选用的小波基函数中，符合要求的正交小波基有Daubechies小波系、Symlets A小波系和Coiflet小波系；

通过小波分析处理信号的结果与理论结果的误差大小来判断小波基函数的好坏，以此确定最优小波基函数；根据重构信号与原始信号误差大小确定最优小波基函数。