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表面張力對(duì)機(jī)械結(jié)合面接觸載荷、真實(shí)接觸面積以及接觸剛度的影響規(guī)律(四)
來(lái)源: 《振動(dòng)與沖擊》 瀏覽 121 次 發(fā)布時(shí)間:2026-03-10
4 結(jié)果與分析
對(duì)于一個(gè)給定的粗糙表面,Panda等采用分辨率為0.25 μm的粗糙表面測(cè)量?jī)x對(duì)表面進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)了四階譜距與二階譜距的比值大約為600 μm-2。為了說(shuō)明表面張力對(duì)結(jié)合面接觸行為的影響,利用Panda所測(cè)得的兩組譜距參數(shù)及相應(yīng)的帶寬進(jìn)行研究,參數(shù)如表1所示。
由表1可知,當(dāng)α=4.48時(shí),σ=m01/2=0.3 μm;α=5.76時(shí),σ=0.5 μm,說(shuō)明α=5.76所對(duì)應(yīng)的表面較粗糙。取s=0,1 mm, 10 mm, 100 nm,當(dāng)帶寬α=4.48時(shí),無(wú)量綱的表面張力參數(shù)s*=0,0.0168,0.1683,1.6833;當(dāng)帶寬α=5.76時(shí),s*=0,0.0158,0.1581,1.5811。取無(wú)量綱兩表面平均距離u的范圍為0.5~3.5。
4.1 接觸載荷和真實(shí)接觸面積與兩表面平均距離的關(guān)系
無(wú)量綱接觸載荷Ft*與無(wú)量綱兩表面間平均距離u的關(guān)系:接觸載荷隨著兩表面間平均距離的減小而增大,且二者呈非線性關(guān)系。當(dāng)兩表面間的平均距離不變時(shí),表面張力越大,接觸載荷越大,且考慮表面張力的接觸載荷大于忽略表面張力時(shí)的接觸載荷,這與單個(gè)微凸體模型的分析結(jié)果一致。當(dāng)不考慮表面張力時(shí)(s=0),接觸載荷與兩表面平均距離的關(guān)系曲線與Greenwood的結(jié)果吻合。此外,當(dāng)表面張力相同時(shí),表面越粗糙,接觸載荷越小,這是由于當(dāng)表面粗糙度增大時(shí),真實(shí)接觸面積減小,相應(yīng)地,接觸載荷隨之減小。
無(wú)量綱真實(shí)接觸面積At*與無(wú)量綱兩表面平均距離u的關(guān)系:兩表面間平均距離越大,真實(shí)接觸面積越小,且二者呈非線性關(guān)系。當(dāng)兩表面間平均距離不變時(shí),表面張力越大,真實(shí)接觸面積越小,這是由于表面張力的作用引起的。同理,當(dāng)忽略表面張力時(shí)(s=0),其結(jié)果與Greenwood所得結(jié)果吻合。此外,當(dāng)表面張力相同時(shí),表面粗糙度較大時(shí),真實(shí)接觸面積較小。這里由于選取的兩組表面形貌參數(shù)所對(duì)應(yīng)的粗糙度相差不大,所以真實(shí)接觸面積的差別很小。
4.2 接觸剛度與兩表面平均距離的關(guān)系
無(wú)量綱接觸剛度Kt*與無(wú)量綱兩表面平均距離u的關(guān)系:①當(dāng)不考慮表面張力時(shí),接觸剛度隨兩表面間平均距離的變化規(guī)律與Greenwood的結(jié)果吻合。②接觸剛度隨兩表面平均距離的減小而增大,這是由于當(dāng)兩表面平均距離減小時(shí),結(jié)合面間的真實(shí)接觸面積增大,接觸載荷也隨之增大。③當(dāng)兩表面間平均距離一定時(shí),表面張力越大,接觸剛度越大,且由于表面張力的存在,結(jié)合面接觸剛度大于忽略表面張力時(shí)的接觸剛度。④在表面張力相同的情況下,表面越粗糙,接觸剛度越小。
4.3 接觸剛度與接觸載荷、真實(shí)接觸面積的關(guān)系
無(wú)量綱接觸剛度與接觸載荷的關(guān)系:①表面張力一定的情況下,接觸剛度隨著接觸載荷的增大而增大,且其增大的速率逐漸減緩,這是因?yàn)榻Y(jié)合面的真實(shí)接觸面積增大速率是逐漸減小的。②當(dāng)接觸載荷一定時(shí),接觸剛度隨著表面張力的增加而增加,且當(dāng)表面張力的變化不大時(shí),表面張力對(duì)接觸剛度的影響較小。③當(dāng)接觸載荷較小時(shí),接觸剛度與接觸載荷近似于線性關(guān)系,只有當(dāng)載荷增加到一定程度時(shí),其關(guān)系才呈現(xiàn)為非線性。
無(wú)量綱接觸剛度隨真實(shí)接觸面積的變化規(guī)律:接觸剛度隨著結(jié)合面間真實(shí)接觸面積的增大而增大,且當(dāng)表面張力較大時(shí),接觸剛度遞增的速率較快,二者呈非線性關(guān)系;當(dāng)表面張力較小時(shí),接觸剛度遞增的速率較慢,二者的關(guān)系幾乎近似于線性。此外,當(dāng)真實(shí)接觸面積一定時(shí),表面張力越大,接觸剛度越大。
4.4 接觸載荷與真實(shí)接觸面積的關(guān)系
無(wú)量綱接觸載荷與無(wú)量綱真實(shí)接觸面積的關(guān)系,可知:①當(dāng)不考慮表面張力時(shí),真實(shí)接觸面積隨接觸載荷的變化規(guī)律與Greenwood的預(yù)測(cè)結(jié)果一致;②真實(shí)接觸面積隨著接觸載荷的增大而增大,且其增大的速率與表面張力和表面粗糙度有關(guān)。當(dāng)粗糙度相同時(shí),表面張力越大,遞增速率越慢,這意味著表面張力的存在減小了結(jié)合面間的真實(shí)接觸面積;當(dāng)表面張力相同時(shí),表面粗糙度越小,遞增速率越快。
5 結(jié)論
(1) 利用Nayak隨機(jī)過(guò)程模型來(lái)表征結(jié)合面上微凸體的高度與曲率分布,建立了考慮表面張力的單個(gè)微凸體接觸模型,通過(guò)高斯-切比雪夫求積公式求解驗(yàn)證了模型的正確性。
(2) 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論將單個(gè)微凸體的計(jì)算模型擴(kuò)展到整個(gè)結(jié)合面上,提出新的結(jié)合面接觸模型,揭示了表面張力對(duì)結(jié)合面間接觸載荷、真實(shí)接觸面積以及接觸剛度的影響規(guī)律。
(3) 當(dāng)表面張力的影響可忽略時(shí),單個(gè)微凸體模型的求解結(jié)果趨近于Hertz結(jié)果,相反,當(dāng)考慮表面張力時(shí),其接觸載荷、接觸面積以及接觸剛度都明顯偏離于Hertz解;類似地,忽略表面張力時(shí),結(jié)合面間的接觸行為與Greenwood的結(jié)果一致。
(4) 與傳統(tǒng)不考慮表面張力的模型求解結(jié)果相比,當(dāng)兩表面間平均距離相同時(shí),結(jié)合面新模型具有較大的接觸載荷與接觸剛度,較小的真實(shí)接觸面積,此外,真實(shí)接觸面積隨著接觸載荷的增大而增大,且二者近似于線性關(guān)系,其遞增速率隨著表面張力的增大而減小。接觸剛度隨接觸載荷、真實(shí)接觸面積的增大而增大,且表面張力越大,遞增速率越快。當(dāng)接觸載荷或真實(shí)接觸面積一定時(shí),接觸剛度隨著表面張力的增大而增大。





