[发明专利]一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结合面接触性能仿真分析方法，特别是一种考虑两3D粗糙表面接触的结合面性能仿真分析方法，可用于分析微观粗糙表面的摩擦、磨损、接触刚度、接触热阻等接触性能。

背景技术

机械系统中存在大量的结合面，这些结合面的存在对机械系统整体特性有着很大影响，而结合面的接触实际是其粗糙表面的接触，粗糙表面形貌对结合面摩擦、磨损及其接触变形都有重要的影响。

长期以来，国内外学者从理论层面上对粗糙表面的接触开展了大量的研究。在理论解析模型方面，构建了多种经典接触模型：GW模型、CEB模型、MB模型和KE模型等，但这些理论模型的建立都存在一定的假设条件，如所有微凸体都具有相同的峰顶曲率半径、微凸体接触时其变形相互独立，忽略微凸体之间的相互作用、不存在大变形、微凸体之间的接触全部是峰对峰正接触等。正是由于这些假设，使其无法贴合结合面间实际的微凸体接触状态，这极大影响了利用解析模型预测结合面性能的精度。

为了解决上述问题，近年来，有学者提出利用有限元数值模型模拟结合面间微观接触的方法，但其主要集中在单对微凸体的接触性能分析和光滑表面—粗糙表面的接触性能分析方面，尚未实现更贴合实际接触状态的两3D粗糙表面接触性能仿真分析。本发明从点云处理技术、体模型生成技术和网格划分技术三个方面入手，克服了现有技术瓶颈，提高了网格划分质量，构建了两3D粗糙表面接触模型，从而在一定程度上改善了结合面性能预测的准确性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，克服了两粗糙表面有限元接触模型构建中点云处理、体模型生成和网格划分技术瓶颈，提高了网格划分质量和求解效率，改善了粗糙表面接触性能预测的准确性和可靠性。

本发明的技术方案是：

一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，包含下述步骤：

1)通过激光共聚焦显微镜测量实际表面或利用三维形貌模拟方法获得高斯或非高斯粗糙表面，提取3D粗糙表面形貌的高度矩阵为Z(m，n)，其中m、n分别表示x、y方向取点的数目；

2)以步骤1)中获得的微观表面形貌为对象，选取适宜的间距，利用点云处理方法将3D粗糙表面离散成有限元软件容易提取的txt文件；

3)利用步骤2)生成的三维点的txt文件，导入有限元软件中生成点云模型，利用有限元的双重循环命令，连接X/Y方向相邻四点，生成微观面片群，获得结合面每一连接表面的微观形貌；

4)以步骤3)生成的两组粗糙表面为基础，通过平面拉伸，并利用有限元软件关键点的平移和坐标修改功能，构建一组考虑连接表面微观表面形貌的体模型；

5)以步骤4)生成的体模型为基础，通过线网格控制的方法，对体模型进行六面体网格划分；

6)以步骤5)生成的网格模型为基础，定义结合面接触对，固定下连接体下表面z方向的位移，通过上连接体上表面位移约束施加载荷边界条件，构建两3D粗糙表面接触的有限元接触模型，并进行结构静力求解，观测连接结合面的接触载荷和接触压力分布规律。

所述的利用三维形貌模拟方法获得高斯粗糙表面，具体包含以下步骤：

1)利用白噪声发生器randn(m，n)产生白噪声序列η(m，n)，并计算其傅里叶变换A(m，n)：