微观粗糙表面的数值模拟及其对滚动接触疲劳寿命的影响

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1、硕士学位论文微观粗糙表面的数值模拟及其对滚动接触疲劳寿命的影响NUMERICALSIMULATIONOFMICROROUGHSURFACEANDITSEFFECTONROLLINGCONTACTFATIGUELIFE秦奋起哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TH117.2学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文微观粗糙表面的数值模拟及其对滚动接触疲劳寿命的影响硕士研究生：秦奋起导师：王黎钦教授申请学位：工学硕士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2015

2、年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH117.2U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNUMERICALSIMULATIONOFMICROROUGHSURFACEANDITSEFFECTONROLLINGCONTACTFATIGUELIFECandidate：QINFenqiSupervisor：Prof.WANGLiqinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineerin

3、gSpeciality：MechanicalDesignandItsTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要众所周知，任何加工方法都难以使零件表面达到绝对的光滑，实际的零件表面都具有复杂的微观形貌。当研究的尺度下降或零件的工况条件极其恶劣时，零件表面微观形貌

4、的影响不可忽略。本文以滚动轴承为应用背景，将单个滚子与滚道的接触等效为点接触模型，针对干摩擦及弹流润滑两种工况条件，研究了表面微观形貌对干接触及弹流润滑的影响，并进一步分析了在两种工况条件下表面形貌对次表面应力场分布及滚动接触疲劳寿命的影响。使用二维数字滤波及矩阵线性变换两种表面模拟方法，选择指数型的自相关函数，利用MATLAB语言编程模拟了具有指定表面均方根值，自相关长度及纹理的高斯表面；使用Johnson转换系统实现非高斯序列的转换，编写了Johnson转换系统的MATLAB程序，模拟出了具有指定表面

5、均方根值，峰度，偏度，自相关长度及纹理的非高斯表面；从表面目标表征参数及自相关函数的角度，分别对比了两种方法生成的不同类型表面的误差大小。使用通用的有限元分析软件ANSYS分析了在干摩擦工况下，微观表面形貌对点接触模型形成的表面力场，次表面力场及滚动轴承相对疲劳寿命寿命的影响。使用ANSYS软件的APDL参数化编程语言编写了含有粗糙表面的球/盘接触模型的建模及后处理程序，分别研究了高斯与非高斯表面的均方根值，峰度，偏度及纹理特性对最大接触应力及接触面积的影响；基于Zeretsky的寿命模型，提取有限元求解

6、的节点应力，分别研究了表面的均方根值，峰度，偏度及纹理特性对次表面力场分布及滚动接触疲劳寿命的影响。使用多重网格法求解了点接触等温弹流润滑的数值解，通过在膜厚方程中引入表面高度数据的方法，研究了点接触模型在全膜弹流润滑的工况下，表面微观形貌对表面力场，次表面力场及滚动轴承寿命的影响。在高斯与非高斯表面下，分别研究了表面的均方根值，偏度，峰度及纹理对油膜厚度及油膜压力的影响；基于Zeretsky的寿命模型，在完全弹流润滑的条件下，分别研究了表面的均方根值，峰度，偏度及纹理特性对次表面力场分布及滚动接触疲劳寿

7、命的影响。关键词：表面粗糙度；表面模拟；干接触分析；弹流润滑；滚动接触疲劳寿命-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsisknown,anyprocessingmethodcan’tprocesspartswithanabsolutesmooth,andtheactualpartssurfacehascomplexmicrostructure.Whenthestudyscaleistoosmallortheworkingconditionsofpartsisverypoor,theinfl

8、uenceofmicrostructureonthesurfaceofthepartswillnotbeabletoignore.Withrollingbearingsastheapplicationbackground,thispaperdevelopedpoint/surfacecontactmodelfromthesinglerollerandracewaycontactandmainlystudytheimpactof