結合面接觸剛度的影響因素及分析方法

延安大學 建筑工程學院，陜西 延安 716000

0 引言

大型機械設備都由許多零部件組成，因而會有許多結合面的存在。結合面的表面微觀形貌的不確定性與復雜性導致了用理論很難預測真實結合面接觸剛度的大小。由于結合面接觸剛度的大小與機械設備的整機的工藝制造水平密切相關，因此研究無處不在的結合面界面力學特性是非常有必要的。在靜態狀況下，整體的剛度有一半之多取決于結合面的切向與法向的接觸剛度；在動態接觸情況下，機械裝備的阻尼很大程度上是由結合面的阻尼所決定的。假如能夠從理論和實驗上解決結合面特性參數模型的問題，那么對裝備業的升級將會起到十分巨大的作用。

1 結合面的概念及分類

零件、組件與部件之間互相接觸而的表面，稱之為“結合面”或者“接觸面”［1］。依據運動形式來分類，結合面可分為固定結合面、半固定結合面及運動結合面三種類型。從結構形狀角度看，結合面又分為平面結合面，（如圖1）和曲面結合面（如圖2）。

圖1 平面結合面示意圖

圖2 曲面結合部示意圖

2 影響結合面接觸剛度的因素

2.1 影響結合面靜態接觸剛度的因素

結合面靜態接觸剛度的主要影響因素有：接觸面承受的法向載荷與切向載荷、接觸面的材料力學屬性、形成接觸面的材料成型方法、結合部表面輪廓粗糙度、結合面之間的潤滑狀態等。

2.2 影響結合面動態接觸剛度的因素

影響結合面動態接觸剛度的主要因素有：結合面的材料力學屬性、結合面金屬材料成型方法及熱處理方法；結合面的表面輪廓的參數指標；結合面之間的潤滑狀態；結合面承受的法向載荷與切向載荷及動載荷性質的形式；振動頻率；結合面結構形狀。

3 結合面的分析方法

3.1 結合面靜態接觸剛度的研究方法

結合面的靜態接觸剛度研究方法非常豐富，現階段有被公認的經典研究方法主要有分形法、概率統計法、有限元法、等效剛度法和等效阻尼法等。比較新穎的研究則用界面元法、神經網絡法、無網格法等。使用這些數學方法建立機械結合面靜態剛度模型與現有實驗數據比較還是存在一定的誤差。

3.2 結合面動態接觸剛度的研究方法

結合面動態特性的研究主要集中在結合部阻尼和接觸剛度的研究上。由于僅靠理論分析設計計算很難獲得準確的結果，所以需要通過實驗數據來分析研究機械結合面動態特性。模態實驗分析是機械結合面動態特性的一種重要研究方法。另外，有限元法在機械結合面動態特性的研究中應用也非常廣泛，該方法既能夠用于平面結合部分，也能夠用于圓柱和球面結合部的動態特性研究中來。

4 結論

通過結合面的分類，總結出影響結合面動靜動態接觸剛度的因素，綜述了結合面靜動態接觸剛度的分析方法。由此可以得出機械結合面靜態剛度由法向接觸剛度和切向接觸剛度兩部分組成，要全面研究機械結合面的剛度，必須要將結合面的眾多影響因素予以全面考慮。