概述机械结合面切向接触参数原理

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1、概述机械结合面切向接触参数原理第一章绪论1.1课题研究背景各种各样的机器与机械结构总是由许多的零部件按照特定的功能要求组合起来的，我们把零部件之间的相互接触的表面称为机械结合面，简称结合面[1]。按照结合面的结构和形状，可以将结合面分为平面结合面与曲面结合面。由于结合面在机械结构中的大量存在，使得机械结构中力的传递必然要经过其中的各种结合面。当受到动载荷的作用时，结合面间就会产生微小的相对位移，使得结合面不仅存储能量并且消耗能量，表现为既有阻尼又有刚度，即存在着接触阻尼和接触刚度。通常状况下，机床中的结合面接触刚度大

2、致占机床总刚度的60%~80%。所以，在研究机械结构静态特性时，必须要充分考虑到结合面接触刚度。像机床、齿轮箱、动力机械等机械结构，其总阻尼的90%以上来自于结合面接触阻尼。与机械零件本身阻尼相比，结合面的接触阻尼相对占绝对优势。所以，从力学角度来分析结合面问题的时候，它与机械结构的静动态特性以及振动与振动控制都存在着十分紧密的关系。然而，人们到目前还没能够完全解决结合面的理论建模和结合面对结构动力学特性的影响，其原因主要是结合面存在着很多十分复杂的影响因素，这些因素主要有结合面材质、加工方法、加工质量、介质状况、法

3、向面压、动载荷性质、振动频率和结构类型等。总之，对结合面静动态特性的研究不管从基础理论方面还是从实际应用方面上都具有十分重要的意义。1.2机械结合面研究现状有关机械结合面问题的研究，总的来说由以下四个方面组成，即机械结合面基础理论的研究、机械结合面静动态特性实验的研究、机械结合面静动态特性参数的识别研究以及机械结合面的应用技术研究。本文则主要阐述机械结合面基础理论研究相关内容。1.2.1机械结合面基础理论研究的主要内容结合面问题从本质上讲是粗糙表面间的接触问题，而粗糙表面的接触问题归结到最终即为界面间的微凸体的非协调

4、接触问题。在微观接触理论研究的基础上，进一步扩展到更有实际参考意义的结合面接触刚度、接触阻尼、静摩擦系数、热接触阻抗、电接触阻抗以及摩擦磨损润滑等领域的具体研究。非协调表面接触力学问题中表面互相不协调的物体的接触应力构成局部应力集中，对它的研究与两个物体体内的应力无关。Hertz很清楚地意识到这一事实。他写道：我们能够将我们的注意力限制于每一个物体中非常接近接触点的那一部分，因为这里的应力与发生在其他各处的应力相比非常大，因而他们依赖于作用在物体其他部分上的力的程度最小。工程实际中经常遇到的相关课题主要包括Hertz

5、接触理论及非Hertz接触理论、非弹性体接触、滑动接触、滚动接触、辗压与润滑以及粗糙表面、动力效应与撞击、热弹性接触等。在讨论中通常会用到弹性力学、粘弹性力学和塑性力学的基本理论和方法。第二章粗糙表面接触分形理论2.1粗糙表面形貌及分形表征2.1.1粗糙表面的形貌表面形貌一般指物体表面的几何结构。机器设备的具体性能，例如摩擦、磨损、润滑、振动噪声、密封、配合性质、疲劳、腐蚀、涂层质量、导热性、导电性、反射性质等都和表面形貌有密切关系。广义上讲，表面形貌主要包括粗糙度、波纹度、形状误差以及纹理四大方面。当它应用于接触问

6、题时则主要研究微米量级范围几何结构对接触刚度和接触阻尼等特性的研究。摩擦学主要研究固体表面之下只有几毫米的表层中的应力分布，因此往往将上述固体看成以无限大平面为界、充满半个空间的半无限固体，这样能够简化问题，集中分析两个固体接触的细节，而不必顾及这两个固体的形状和大小。2.1.2粗糙表面形貌分形表征对表面形貌特征做定量的描述，在解决有关接触问题时是极其重要的。通常固体的表面接触时不连续的，并且真实接触区域只是名义接触区域的一小部分，通过凹凸不平处的塑性变形把初始粗糙表面弄平是不容易的。例如，车床刀具在韧性压缩试样的名

7、义平端面上所产生的锯齿刻痕将被试验机坚硬的平压板塑性地压平。它们就像塑性楔体那样，在接触压力近似等于3Y时发生塑性变形，此处Y是材料的屈服应力。在名义压力为Y时，试样作为一个整体将发生整个屈服。因此试验机压板和试样之间的真实接触面积与名义接触面积之最大比值约为三分之一。受挤压的凹凸不平部位的应变强化将使得该比值进一步减小。(1)分形几何学与分形维数自然界是千姿百态、变幻无常的，存在着许许多多自然现象与物体形状，比如高低起伏的山脉、曲折蜿蜒的海岸线、空气中的粉尘、树叶的脉络、布朗运动、微观分子与原子不规则的运动轨迹等等

8、。利用传统的欧氏几何学（EuclideanGeometry）已经无法描述这些复杂的现象和形状特征。欧氏几何学中，定义物体的维数采用的是坐标数目。图形最基本的不变量就是维数，传统的欧氏几何在描述有序的几何形状点、线、面、体时，采用的维数分别为0、1、2、3，测量有序几何形状大小时发现，只是与其维数有关，而与测量时使用的尺度无关。自然界中，具有大尺