[發(fā)明專利]一種確定圓柱界面剛度的計算方法在審
| 申請?zhí)枺?/td> | 201710334470.5 | 申請日： | 2017-05-12 |
| 公開（公告）號： | CN107169200A | 公開（公告）日： | 2017-09-15 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 潘五九;李小彭;孫猛杰;孫趙寧;楊澤敏;王琳琳 | 申請（專利權(quán)）人： | 東北大學(xué) |
| 主分類號： | G06F17/50 | 分類號： | G06F17/50 |
| 代理公司： | 北京易捷勝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11613 | 代理人： | 齊勝杰 |
| 地址： | 110819 遼寧*** | 國省代碼： | 遼寧;21 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 確定 圓柱 界面 剛度 計算方法 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及機(jī)械界面力學(xué)分析領(lǐng)域，具體涉及一種確定圓柱界面剛度的計算方法。
背景技術(shù)
由于界面剛度是整個機(jī)械系統(tǒng)的重要動態(tài)性能參數(shù)之一，因此對圓柱界面的剛度進(jìn)行辨識和確定，有利于在一些高精密系統(tǒng)的初始設(shè)計階段能準(zhǔn)確的預(yù)測整機(jī)的動力學(xué)特性,如機(jī)器人關(guān)節(jié)精密減速器傳動的精密性與否直接影響著機(jī)器人關(guān)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)精度。因此針對關(guān)鍵機(jī)械系統(tǒng)中，對典型的圓柱界面接觸問題進(jìn)行研究，建立重要的動態(tài)特性高精度預(yù)測模型不僅為精度誤差補償提供依據(jù)，還可為預(yù)測、控制界面動態(tài)特性提供技術(shù)參考，具有廣泛的工程意義。
從微觀角度來看金屬表面形貌，則呈現(xiàn)出如山峰般高低起伏的微凸體。大量微凸體的存在影響表面的摩擦、磨損和潤滑等特性，并使得實際接觸面積遠(yuǎn)低于名義接觸面積。兩相互接觸的圓柱界面廣泛存在于工業(yè)應(yīng)用中，如圓柱滾子軸承、齒輪減速器中等。圓柱界面的剛度作為界面動態(tài)特性的重要參數(shù)之一經(jīng)常被加以研究確定，以便用于整體系統(tǒng)的動力學(xué)建模和分析之中?，F(xiàn)有技術(shù)中，人們對兩圓柱界面接觸的處理通常是赫茲接觸和有限元法。然而，赫茲接觸僅是一種彈性接觸，未考慮界面摩擦和表面微凸體的分形分布，算法不精確，誤差較大；有限元法針對復(fù)雜形體的接觸時，對接觸區(qū)域內(nèi)的實體單元劃分較為復(fù)雜且計算效率低下。
發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明提供一種確定圓柱界面剛度的計算方法，其針對高精密機(jī)械界面接觸特性分析的需求，突破了現(xiàn)有的利用傳統(tǒng)赫茲接觸計算誤差較大和有限元網(wǎng)格劃分復(fù)雜且效率低下的局限性，其方法獲得的結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。
(二)技術(shù)方案
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案包括：
一種確定圓柱界面剛度的計算方法，包含以下步驟：
S1.對金屬表面上兩相互接觸的圓柱體，等效處理為一剛性平面和一等效微凸體間的接觸，得到所述等效微凸體和剛性平面間的實際接觸面積a＝πRω；其中，所述ω為所述等效微凸體變形量，所述R為所述等效微凸體的等效曲率半徑；
S2.界面上所述等效微凸體在受載后會相繼經(jīng)歷彈性、彈塑性和塑性變形三個階段，則所述等效微凸體由彈性變形變?yōu)閺椝苄宰冃蔚呐R界彈性變形量和臨界彈性變形面積分別為和其中，μ為界面微動時的動摩擦因數(shù)，所述kμ為摩擦修正系數(shù)，所述φ為等效微凸體材料的特征系數(shù)，所述D為分形維數(shù)，所述G為分形粗糙度；
所述等效微凸體處于彈性變形階段的載荷為其中，所述E為界面兩相接觸材料的等效彈性模量，表示為所述E1，E2分別表示兩接觸圓柱體材料的彈性模量，所述ν1，ν2分別表示兩接觸圓柱體材料的泊松比；
S3.所述等效微凸體由彈塑性變形變?yōu)樗苄宰冃蔚呐R界塑性變形量和臨界塑性變形面積分別為和所述等效微凸體在塑性階段的載荷為pp(a)＝λσya，其中，所述σy為相互接觸圓柱體材料中較軟的屈服強度，所述λ為定義的系數(shù)，λ＝H/σy，所述H為較軟材料的硬度；
S4.所述等效微凸體的材料硬度在現(xiàn)實界面加載中會隨著加載深度而變化，此時，所述等效微凸體在彈塑性階段的載荷為其中，所述n為材料硬度指數(shù)，
S5.所述兩相互接觸的圓柱體界面上的分形面積修正分布函數(shù)為其中，所述ψ為域擴(kuò)展系數(shù)，所述al為所有微凸體接觸中最大的接觸面積，所述τ為圓柱界面的接觸系數(shù)當(dāng)所述兩圓柱體為外接觸時，采用加號計算；當(dāng)所述兩圓柱體為內(nèi)接觸時，采用減號計算；其中，R1和R2分別為兩相互接觸圓柱面的半徑，L為兩圓柱面接觸長度，F(xiàn)′為單位線長度載荷；
S6.整個圓柱加載界面上的接觸剛度應(yīng)包含界面上所有微凸體的彈性受載和彈塑性受載，則總的界面上的剛度為
如上所述的計算方法，優(yōu)選地，所述D根據(jù)與表面粗糙度關(guān)系D＝1.54/Ra0.042獲得，所述D的范圍為1<D<2，所述Ra為表面粗糙度，通過粗糙度測量儀測得。
如上所述的計算方法，優(yōu)選地，所述G根據(jù)與所述表面粗糙度Ra關(guān)系獲得。
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