专利名称：一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法
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一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—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I)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I)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I)利用白噪声发生器randn(m,n)产生白噪声序列n (m, n),并计算其傅里叶变换A (m, n)
权利要求
1.一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，其特征在于，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，η)，其中m、n分别表示x、y方向取点的数目； 2)以步骤I)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，通过对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。
2.根据权利要求I所述的一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，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,η)产生白噪声序列Π (m, η),且获得其傅里叶变换A (m, η)； 2)利用给定自相关函数生成相关矩阵R(m，η);假定自相关函数为f (x，y)，其中βχ、β,分别为X、Y方向的自相关长度；
3.根据权利要求I所述的一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，所述的利用三维形貌模拟方法获得非高斯粗糙表面，具体包含以下步骤 1)直接利用高斯粗糙表面的数字化模拟所生成的高度序列ζ,采用Pearson或Johnson非高斯变换系统进行非高斯变换，生成非高斯序列Z ； 2)如果所生成的非高斯序列的偏斜度Sk与峰度Ku不满足精度要求，则采用新的白噪声序列，重复高斯粗糙表面高度序列的模拟及其非高斯转换，直到满足精度要求，完成非高斯粗糙表面的数字化模拟。
4.根据权利要求I所述的一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，所述的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高度矩阵文件，具体包含以下步骤 1)对于实测或模拟表面，可以在水平方向按照一定的规律，生成包含3列的点文件，其中每一行的三个数据代表一个点坐标，第1、2、3列分别表示对应点的x、y、z坐标； 2)通过Ultraedit软件将点的格式修改为有限元软件识别的点创建命令，从而方便有限元软件读取此类型的txt点文件,直接生成点云模型。
5.根据权利要求I所述的一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，所述的利用有限元软件关键点的平移和坐标修改功能，构建一组考虑微观表面相貌的体模型，具体包含以下步骤 1)分别将两组微观表面沿Z正方向与反方向拉伸，生成具有一定高度的两组微六面体群; 2)修改每一组微六面体群的点坐标，使得每一组六面体群中连接表面的对面顶点具有相同的Z坐标值，形成光滑表面； 3)调节某一连接体的Z向位置，确保两连接表面有局部点刚发生初始接触。
6.根据权利要求I所述的一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，所述的通过线网格控制的方法对体模型进行六面体网格划分，具体包含以下步骤 1)网格单元数量的控制在上述构建的体模型中选择厚度方向的所有线条，控制线条高度方向的网格大小或网格层数，同时通过控制水平方向网格的大小，精确控制网格的数量; 2)对同一个微六面体中，若四条高度方向的线条，高度相差悬殊，对其高度方向的网格大小进行适当调整，使高度值大的网格数目与高度值小的线条对应网格数目相差偶数，从而保证顺利生成高质量的六面体网格； .3)指定网格单元类型与材料属性，生成六面体扫描网格。
全文摘要
本发明公开了一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法，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。通过激光共聚焦显微镜测量实际表面或利用三维形貌数字化模拟方法获得粗糙表面，提取3D粗糙表面形貌的高度矩阵，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高度矩阵文件，将其导入有限元软件中生成结合面每一连接表面的微观形貌，利用有限元软件关键点的平移和坐标修改功能，建立考虑微观表面形貌的体模型，通过网格控制的方法，对体模型进行六面体网格划分，构建两3D粗糙表面接触的有限元接触模型，逐步施加位移和力载荷边界条件，对结合面的接触特征进行分析。
文档编号G06F17/50GK102779200SQ20111042905
公开日2012年11月14日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘万普, 刘会静, 朱林波, 杨国庆, 洪军, 熊美华 申请人:西安交通大学