第53卷第3期2017年2月
机械工程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.53No.3
Feb. 2017
DOI：10.3901/JME.2017.03.111
基于确定性模型的金属表面多尺度接触行为研究*
史建成 刘检华 丁晓宇 杨志猛 巩 浩
(北京理工大学机械与车辆学院北京100081)
摘要：不同尺度的接触行为对表面功能属性有着明显不同的影响，为了研究金属表面在各个尺度的接触行为，提出了基于确定性模型的粗糙表面各尺度接触行为分析方法，通过设备实测得到加工表面的形貌数据，通过小波滤波器对粗糙表面进行多尺度分解，采用有限元方法建立各个尺度的确定性接触模型，并分析得到金属表面在各尺度下的接触面积随法向接触压力的演变规律。结果显示，伪周期较小的表面分量上量纲一接触面积随量纲一法向载荷近似成斜率相同的线性增长关系，而伪周期较大的表面分量上量纲一接触面积随量纲一法向载荷近似呈现出类指数增长趋势，并随着伪周期的增大曲线更加陡峭。同时分析了不同材料屈服强度对接触行为的影响，最后通过求解高斯表面的接触过程验证了确定性模型和所发现规律的有效性。
关键词：多尺度；确定性模型；粗糙表面接触；小波滤波
中图分类号：TH123
On the Multi-scale Contact Behavior of Metal Rough Surface Based on
Deterministic Model
SHI Jiancheng LIU Jianhua DING Xiaoyu YANG Zhimeng GONG Hao (Beijing Institute of Technology, School of Mechanical Engineering, Beijing 100081)
Abstract：The multi-scale contact behavior has distinct impact on surface functional performances. To study the multi-scale contact behavior of metal surfaces, a method based on deterministic model of rough surfaces is presented. In this method, the surface data is measured using the profilometer, then the wavelet filter is used to decompose the measured rough surface. Based on the filtered data, the deterministic models of rough surfaces can be built using finite element method. The method is used to analyze the variation of dimensionless contact area with dimensionless contact load. The results show that the curves rise linearly with the same slope in a small pseudo-period, while the curves in a large pseudo-period rise in an exponential trend and rise with a steeper ratio as the pseudo-period increases. The effects of material properties on contact behavior in different scales are also analyzed. At last, the presented model and the results are validated by solving the Gaussian surface.
Key words：multi-scale；deterministic model；rough surface contact；wavelet filter
0 前言
粗糙表面的多尺度接触问题是静密封、摩擦学等研究中基础问题之一。工程中粗糙表面往往呈现出多个尺度的不平滑特征，表面在压力作用下各尺度凸体的相互挤压变形构成了两表面之间的接触，并随着挤压力的增大，真实接触面积、表面平均距离，表面应力应变等发生持续变化，并最终影响表面的密封、摩擦、润滑、传热和导电等性能。研究粗糙表面在不同尺度的接触行为，有助于更好地理
?国家自然科学基金资助项目(51675050)。20160311收到初稿，20160906收到修改稿解各个尺度的表面形貌对其功能属性的影响和作用机理。
工程中，在挤压力作用下粗糙表面上较高的凸体首先发生接触，随着挤压力的增大，接触的凸体开始变形，两表面之间的平均距离减小，进而有更多凸体进入接触状态。目前国内外学者在粗糙表面接触模型方面进行了大量研究，其研究成果可大致分为以下三类。
(1) 统计性模型：统计性模型采用表面形貌的统计学参数和信息，结合经典接触力学对粗糙表面的接触行为进行分析，这类模型通常需要对表面凸体的形状进行简化。GREENWOOD和WILLIAMSON[1]在1966年开创性地提出了GW模型(Greenwood and Williamson model，GW model)，
万方数据