机械结合面接触刚度及阻尼的理论模型研究
机械结合面的刚度约占整机刚度的60%以上，阻尼达到整机的90%以上（具体影响程度随整机的结合面数量、性质及接触状态不同而不同）。然而，目前机械系统整机分析设计缺少完整的结合面接触刚度及阻尼参数，极大制约了设计分析水平的提高。早期多采用实验方法获得结合面参数，但由于实验工作量大、实验条件限制、数据不完整等，不能满足工程分析设计需求。近10多年来，人们尝试从理论上直接计算出结合面参数，然而，现有的研究忽略了两粗糙表面接触时微凸体侧向接触、微凸体相互作用以及结合面各向异性的影响，并且极少对结合面动态接触刚度及阻尼进行研究，因而获得更接近实际工况的动态结合面接触刚度及阻尼参数，依然是尚未根本解决的、公开的世界性科学难题。 本文针对现有研究中存在的问题，从机械加工表面微观形貌和微观接触机理入手，对在法向和切向静动态力作用下的机械结合面接触刚度及阻尼理论模型进行了系统深入的创新性研究。 (1)提出并建立了考虑微凸体侧接触的结合面法向和切向接触刚度及阻尼模型，并定量揭示了不同法向面压、振动频率以及幅值对法向和切向接触刚度及阻尼的影响规律。研究表明：增大法向面压可提高结合面法向＼切向接触刚度及阻尼；改变结合面变形量＼位移量幅值不能大幅地改变结合面法向＼切向接触刚度及阻尼；不能通过调节振动频率改变结合面法向＼切向接触刚度的大小，但可通过减小振动频率实现法向＼切向接触阻尼的增大。 (2)提出并建立了同时考虑微凸体侧接触及相互作用的结合面法向和切向接触刚度及阻尼模型，并分析了微凸体相互作用对结合面法向＼切向接触刚度及阻尼的影响。定量揭示了接触表面弹性模量、材料硬度及表面微凸体高度方差对结合面法向＼切向接触刚度及阻尼的影响。研究表明：结合面等效弹性模量较低时可获得较大的结合面法向＼切向接触刚度和较高的切向接触阻尼。结合面硬度越高结合面法向＼切向接触刚度和切向接触阻尼越大。可通过减小接触表面方差提高结合面法向＼切向接触刚度和切向接触阻尼。 (3)针对机械加工表面形貌存在各向异性的情况，结合微凸体侧接触及相互作用，提出并建立了各向异性结合面的法向＼切向接触刚度及阻尼模型，并对比了各向同性结合面和各向异性结合面对法向＼切向接触刚度及阻尼的影响。研究表明：接触表面的匹配度对结合面法向＼切向接触刚度及阻尼具有较大影响，改善结合面接触匹配度可提高结合面法向＼切向接触刚度。结合面越趋于各向异性结合面法向＼切向接触刚度越小；结合面越趋于各向同性，结合面切向接触阻尼越小而法向接触阻尼越大。 (4)通过实验，对比分析了本文提出的模型及其他模型，证明了微凸体侧接触、相互作用以及各向异性对结合面法向＼切向接触刚度及阻尼的作用，获得了更接近实验结果的理论模型，进而验证了本文提出的模型的正确性和有效性。
机械结合面;接触刚度;接触阻尼;理论模型
西安理工大学
博士
机械工程
傅卫平
2018
中文
TH11
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）