一种机械结合面实际接触面积的数值估算方法

技术领域

本发明涉及机械结合面技术领域，尤其涉及一种机械结合面实际接触面积的数值估算方法。

背景技术

机械结合面相互接触表面的实际接触面积只是名义接触面积的一部分，目前对实际接触面积的研究主要处于理论研究阶段，机械结合面的实际接触面积的传统计算方法是通过分形理论计算得到，但计算实际接触面积时需要确定最大接触点的面积，该最大面积往往难以精确获得，给精确计算机械结合面实际接触面积带来困难，也为机械结合面的接触刚度分析及接触热阻等性能分析带来困难。为了准确获得机械结合面静动态接触特性，需要一种精确计算机械结合面实际接触面积的新方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种机械结合面实际接触面积的数值估算方法，实现对固定机械结合面实际接触面积的计算。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种机械结合面实际接触面积的数值估算方法，包括以下步骤：

步骤1：获得机械结合面的涂料印记拓片；

通过将待测实验试件的机械加工表面涂覆上一层涂料，再施加某一特定的压力，得到机械结合面的涂料印记拓片；

步骤2：将机械结合面的涂料印记拓片作为研究目标区域，采用离散法计算机械结合面的实际接触面积与名义接触面积之比；

将机械结合面的涂料印记拓片作为研究目标区域，设定机械结合面的研究目标区域为边长为L的正方体，且目标区域面积共有N

机型结合面的离散单元分为接触单元和非接触单元两种，其中，接触单元又分为内接触单元和边界接触单元两类，则离散化后机械结合面拓片的总接触单元数N

则机械结合面的实际接触面积与名义接触面积之比，如下公式所示：

其中：β为机械结合面接触边界的修正系数，0＜β＜1；

设定离散接触单元的接触边界周长为l

对机械结合面的涂料印记拓片进行离散化处理时，将接触区域和非接触区域之间的矩形边界用光滑曲线边界代替，则接触边界周长和平滑边界周长之间的转化关系为：

所以，机械结合面实际接触面积与名义接触面积之比估算为如下公式所示：

其中：A

步骤3：对机械结合面的接触边界进行修正，进一步得到机械结合面实际接触面积的计算公式；

对于边界接触单元，设定接触分割线将单个离散单元划分为非接触区和接触区；

设定A为接触区面积占边界接触单元面积的比例，t为接触分割线与边界接触单元下边线交点到单元格角点距离，θ为接触分割线与边界接触单元边的夹角；并设定t与θ均为均匀分布，即t∈[0,Δx]，θ∈[0,π]，综上得到关于参数t与θ的函数A(t,θ)，如下公式所示：

因t与θ均为均匀分布，所以针对单个边界接触单元，A的积分均值即为机械结合面接触边界的修正系数β，如下公式所示：

进一步得到机械结合面的实际接触面积的计算公式为：

步骤4：根据实验获得的机械结合面的涂料印记拓片，统计出拓片中边界接触单元面积和内接触单元面积，再根据步骤3得到的机械结合面实际接触面积的计算公式计算得到不同面压下机械结合面实际接触面积。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种机械结合面实际接触面积的数值估算方法，与传统的利用分形理论计算机械结合面实际接触面积相比，本发明方法提高了机械结合面实际接触面积的计算精度与计算速度，大大提高了计算的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种机械结合面实际接触面积的数值估算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的机械结合面的涂料印记拓片示意图；

图3为本发明实施例提供的机械结合面的研究目标区域离散化示意图；

图4为本发明实施例提供的将机械结合面接触区域和非接触区域之间的矩形边界用光滑曲线边界代替的示意图；

图5为本发明实施例提供的是离散单元接触面积示意图；

图6为本发明实施例提供的机械结合面实际接触面积数值计算流程图；

图7为本发明实施例提供的不同等分份数N时机械结合面涂料印记拓片接触区域显示结果图，其中，(a)N＝50，(b)N＝65，(c)N＝130，(d)N＝325，(e)N＝650；

图8为本发明实施例提供的离散单元数逐渐增大时机械结合面实际接触面积占名义接触面积的比例情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例以某机械结合面的粗糙表面为例，采用本发明的一种机械结合面实际接触面积的数值估算方法，对该机械界面面的实际接触面积进行估算。

本实施例中，一种机械结合面实际接触面积的数值估算方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：获得机械结合面的涂料印记拓片；

通过将待测实验试件的机械加工表面涂覆上一层涂料，再施加某一特定的压力，得到机械结合面的涂料印记拓片，如图2所示；

步骤2：将机械结合面的涂料印记拓片作为研究目标区域，采用离散法计算机械结合面的实际接触面积与名义接触面积之比；

将机械结合面的涂料印记拓片作为研究目标区域，设定机械结合面的研究目标区域为边长为L的正方体，且目标区域面积共有N

机型结合面的离散单元分为接触单元和非接触单元两种，其中，接触单元又分为内接触单元和边界接触单元两类，如图3所示，则离散化后机械结合面拓片的总接触单元数N

N→∞时，计算精度最高，本实施例设定离散单元数量N

其中：β为机械结合面接触边界的修正系数，0＜β＜1；

设定离散接触单元的接触边界周长为l

对机械结合面的涂料印记拓片进行离散化处理时，将接触区域和非接触区域之间的矩形边界用光滑曲线边界代替，如图4所示，则接触边界周长和平滑边界周长之间的转化关系为：

所以，机械结合面实际接触面积与名义接触面积之比估算为如下公式所示：

其中：A

步骤3：对机械结合面的接触边界进行修正，进一步得到机械结合面实际接触面积的计算公式；

对于边界接触单元，设定接触分割线将单个离散单元划分为非接触区和接触区，如图5所示，边界接触单元中白色区域为非接触区，阴影区域为接触区。

设定A为接触区面积占边界接触单元面积的比例，t为接触分割线与边界接触单元下边线交点到单元格角点距离，θ为接触分割线与边界接触单元边的夹角；并设定t与θ均为均匀分布，即t∈[0,Δx]，θ∈[0,π]，综上得到关于参数t与θ的函数A(t,θ)，如下公式所示：

因t与θ均为均匀分布，所以针对单个边界接触单元，A的积分均值即为机械结合面接触边界的修正系数β，如下公式所示：

进一步得到机械结合面的实际接触面积的计算公式为：

步骤4：根据实验获得的机械结合面的涂料印记拓片，统计出拓片中边界接触单元面积和内接触单元面积，再根据步骤3得到的机械结合面实际接触面积的计算公式A

本实施例还采用MATLAB软件结合图像判别技术，对该机械结合面的实际接触面积进行计算，计算流程如图6所示，首先将机械结合面的涂料印记拓片图像导入到MATLAB软件中生成图像矩阵数据，并判别是否为接触位置，为哪种接触类型，然后对各种类型的接触点进行统计，最后将数据代入公式进行求解。

本实施例中，不同等分份数N时机械结合面涂料印记拓片接触区域显示结果如图7所示，针对不同等分份数N时，求得结合面实际接触面积与名义接触面积的比值变化如图8所示，从图可以看出，N值越大，实际接触面积与名义接触面积之比越小，计算精度越高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。