机械结合面静动态基础特性参数的理论模型与计算方法研究

Aiming at dry-friction fixed joint surfaces, we will study on the theoretical computation for static and dynamic basic characteristic parameters of machined joint surfaces, i.e. static and dynamic normal and tangential contact stiffness and contact damping at unit area. We will propose generating and evaluating method for the fractal surfaces with specific texture morphology, building a micro-topography model most close to the specific test surface by using synthesized Discrete Fourier Transform (DFT) and Iterative Closest Point (ICP). Using the basic micro-contact model and combining statistical contact model with fractal contact model, we will develop a modelling method for extended micro-contact models, considering elastic /elastic-plastic/plastic deformation, friction-slip, asperity interactions and lateral contact between anisotropic rough surfaces. We will put forward a multi-level discrete iterative numerical computational approach to solve the extended micro-contact models, analyze contact load, contact area, contact deformation, friction-slip and energy dissipation. We will give a experimental approach to combining indirectly quantitative evaluating and directly qualitative observating for analysis and verification of the extended micro-contact models. We will bring forward the theoretical model, computational and experimental method for basic characteristic parameters of joint surfaces based on the micro-topography model and extended micro-contact models, reveal and elucidate microcosmic mechanism and macroscopical law influncing basic characteristic parameters of joint surfaces.

针对干摩擦固定结合面，研究其静动态基础特性参数，即单位面积结合面静、动态法向和切向接触刚度和接触阻尼的理论计算问题。提出特定纹理形貌分形表面的生成与评定方法，采用合成离散傅里叶变换方法和迭代最近点算法，建立最接近特定实验表面的微观形貌模型。将统计接触模型和分形接触模型结合起来，在基本微观接触模型基础上，提出考虑静态及动态条件下各向异性粗糙表面弹性/弹塑性/塑性变形、摩擦滑移、微凸体相互作用及侧向接触的扩展微观接触模型的建模方法。提出多水平离散迭代数值计算方法，求解扩展微观接触模型，对接触载荷、接触面积、接触变形、摩擦滑移、能量损耗进行仿真分析。提出验证微观接触模型的间接定量评定和直接定性观测相结合的实验方法，对扩展微观接触模型进行实验分析验证。提出基于微观形貌模型和扩展微观接触模型的结合面基础特性参数理论模型、计算方法和实验方法，揭示并阐明影响结合面基础特性参数的微观机理和宏观规律。

本项目主要研究考虑弹性、弹塑性和塑性变形的结合面静、动态接触刚度及阻尼的理论计算问题。项目的主要研究工作及成果如下。（1）研究了典型机械加工分形表面形貌模型建立、特征参数表征评定以及与加工方法和加工参数的关系。基于频谱合成法、机床运动学和切削理论，建立了车削、铣削表面的形貌仿真模型；分别采用三维点云数据ICP配准算法、表面分形维数及分布参数，对仿真表面和实际加工表面进行形貌误差量化评定，验证了形貌仿真模型的正确性；通过实际车削、铣削加工表面形貌测量分析，获得了切削用量对分形维数和分布参数的影响规律。（2）研究了基于光滑刚性平面与粗糙表面接触假设、考虑微凸体相互作用的结合面法向静、动态接触刚度及阻尼计算模型。提出了一种考虑微凸体相互作用的静态加-卸载接触刚度模型及其改进求解方法；基于静态加-卸载接触模型的泰勒展开，提出了简谐振动时动态接触刚度和等效接触阻尼计算模型，获得了动态接触刚度、接触阻尼与接触载荷、振动频率和幅值之间的关系；实验表明：考虑相互作用的模型更接近实验结果。（3）研究了基于双粗糙表面接触假设的结合面法向接触阻尼计算模型。提出了简谐振动时结合面法向等效接触阻尼的计算模型，获得了接触载荷、振动频率和幅值对阻尼的影响规律；仿真表明：考虑侧向接触阻尼比单平面假设模型阻尼更大。（4）研究了同时考虑微凸体相互作用与侧接触的微凸体能耗。提出了同时考虑微凸体侧向接触及相互作用的微凸体耗能模型，仿真表明：考虑微凸体侧接触和相互作用比不考虑时的能耗要大。（5）研究了基于单、双粗糙表面接触假设的切向结合面接触阻尼理论计算模型。提出了简谐振动时切向结合面等效接触阻尼的计算模型，获得了接触载荷、振动频率和幅值对阻尼的影响规律；仿真表明：双粗糙表面假设模型比单粗糙表面模型的阻尼略大。（6）研究了法向静载荷作用下各向异性表面的结合面法向接触问题，获得了变形量与接触面积、载荷、静刚度之间的关系。