新的粗糙表面弹塑性接触模型.pdf

第 43 卷第 3 期 机 械 工 程 学 报 Vol.43 No.3 2007 年 3 月 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Mar. 2007 新的粗糙表面弹塑性接触模型 赵永武 吕彦明 蒋建忠 (江南大学机械工程学院 无锡 214122) 摘要：提出一种新型的粗糙表面弹塑性微观接触模型。该模型的建立基于接触力学理论和接触微凸体由弹性变形 向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设。研究单个微凸体在载荷逐渐增加时的变形规 律，并重点推出弹塑性变形区间的接触方程。在此基础上应用概率统计理论导出了粗糙表面的接触载荷、平均分 离和实际接触面积之间的数学关系式。在不同的塑性指数和载荷条件下，该模型与 GW 弹性模型和 CEB 弹塑性 模型就实际接触面积和法向距离的预测结果进行了对比。结果表明，在同样塑性指数和载荷条件下比 GW 模型预 测的实际接触面积大但法向距离小，且两者的差距随塑性指数和载荷的增加而增大。因此该模型的预测结果更加 符合人们的试验观察和直觉，能够更加科学和合理地描述两个粗糙表面的微观和宏观接触状态。 关键词：粗糙表面 弹塑性 接触模型 微凸体 中图分类号：O344.1 O343.3 [8] 型的上述缺陷，ZHAO 等 提出了包含弹性、弹塑 * 0 前言 性和塑性三种变形状态的表面接触模型，但该模型 也存在微凸体接触压力的变化在变形转化临界点处 粗糙表面的接触问题是摩擦学中最重要的研究 不光滑和完全塑性变形临界点未确定等不足。 课题之一。GREENWOOD 等[1]第一个提出了粗糙表 KUCHARSKI 等[9]采用有限元法研究了变形球的接 面的弹性接触模型(简称 GW 模型) 。该模型后来得 触问题并推出了接触载荷和接触面积的经验公式， 到了很大地发展[2-3]，但仍然局限于表面微凸体为纯 但该模型仅适用于载荷极大远进入完全塑性变形区 弹性变形的假定。ABBOTT 等[4]和 PULLEN 等[5] 的场合。KOGUT 等[10]也采用了有限元法研究了单 先后建立了粗糙表面的塑性接触模型，但此两模型 个球与刚性平面的接触问题，并通过曲线拟合导出 仅适用于载荷极大以致于表面微凸体发生完全塑性 了表征接触参数(接触载荷，面积和平均压力)与钢 变形的场合。上述弹性和塑性接触模型皆忽略了微 球法向变形量之间关系的经验公式。但这些经验公 凸体的弹塑性变形区间。为了弥补这种缺陷， 式在钢球变形由弹性向弹塑性以及由弹塑性向完全 CHANG 等[6]基于微凸体塑性变形的体积守恒原理 塑性的临界转化点上述接触参数皆是不连续的，即 建立了表面的弹塑性接触模型(简称 CEB 模型) 。 出现阶跃式变化，而且这些经验公式的物理意义不 CEB 模型适用于微凸体同时具有弹性和塑性变形 十分明晰。 的表面接触，但亦存在以下几点明显不足。首先， 基于上述研究现状，依据表面微凸体变形的连 该模型在临界屈服点出现接触载荷的跳跃式变化， 续性和光滑性原理提出了一种新的粗糙表面弹塑性 即在这一点平均接触压力从弹性区间的 2/3kH 变化 接触模型。通过与 GW 弹性模型和 CEB 弹塑性模 到塑性区间的 kH ，这里H 是较软材料的硬度，k 是