微机械摩擦副接触力学行为跨尺度耦合分析方法研究

微机械摩擦副接触力学行为直接关系到微机电系统的设计、制造、使用寿命等诸多方面。它表现出不同于宏观接触力学的新特性,有许多特殊现象和规律有待进一步探索和研究，需要发展新的分析理论与方法。项目以微机械摩擦副表面相互接触和接触滑动过程的力学行为作为研究对象，研究跨尺度耦合分析的理论与方法，建立能有效适应微机械摩擦副表面相互接触作用和接触滑动过程的跨尺度耦合分析模型，确定模型求解方法和求解所涉及的材料力学参数、边界条件和初始条件。同时，开展试验验证工作，修正模型和完善跨尺度耦合分析方法，找到有效的跨尺度耦合分析方法对微机械摩擦副表面相互接触作用过程和接触滑动过程进行分析，揭示微机械摩擦副粘着、磨损过程中表面接触的力学机理。通过研究，为微机械摩擦副接触力学行为分析提供新的分析理论和方法，不断推动微尺度接触、摩擦与磨损力学和微纳米力学的完善与发展，为微机电系统的分析、设计、制造及应用提供基础理论。

微机械摩擦副接触力学问题实质上是微纳尺度下的接触力学行为，它关系到微机械系统的设计、制造、使用寿命等诸多方面。项目的研究对推动微机械基础理论的发展及应用具有重要意义。项目研究了微纳尺度表面相互接触和接触滑动过程的分子动力学分析方法、连续介质有限元分析方法、跨尺度耦合分析方法，开展了微纳尺度接触力学行为的实验研究。分子动力学是跨尺度耦合分析方法的基础，通过分析微机械摩擦副典型的接触形式，采用分子动力学方法对纳米尺度的球面－球面、球面－平面、平面－平面等类型的接触力学行为进行分子动力学建模与分析；对球面－平面、平面－平面等类型的滑动接触过程中的力学行为进行分子动力学建模与分析；研究了原子状态变化、作用力变化、变形区以及接触摩擦磨损机理等。在连续介质有限元分析尺度，对球面-平面微尺度接触过程的力学行为、不同形状压头微尺度接触过程的力学行为、球面-平面微尺度接触滑动过程的力学行为、不同材料微尺度接触过程的力学行为进行了有限元分析。获得各种接触过程中的应力应变分布、弹塑性变形等力学特性。并进行了实验对比分析。对微齿轮在动态接触过程中的应力变化进行了有限元分析。开展了跨尺度耦合分析方法的研究，研究了准连续介质跨尺度方法和桥域多尺度方法，初步提出了广义质点动力学多尺度方法。基于准连续介质方法，针对微纳尺度接触分析进行改进后，首先，对微纳尺度球面-平面接触力学行为进行跨尺度耦合分析，建立了刚性球形压头与单晶铝基体表面接触过程的跨尺度分析模型,研究了接触与脱离过程中微观变形时原子状态以及压头形状对位错的形核和发射产生的影响。然后，对微纳尺度平面-平面接触力学行为进行跨尺度耦合分析，分析了不同尺寸方形压头的平面与单晶铝基体表面在接触过程中的力学特性和塑性变形过程。接着，对微纳尺度接触滑动过程力学行为进行跨尺度耦合分析，分析了球面探针与单晶铝基体表面的接触滑动摩擦过程，揭示了接触滑动过程中的变形机制。研究也表明，跨尺度耦合分析方法在计算规模和分析效果上具有分子动学方法和连续介质有限元方法的优点。利用纳米压痕仪和原子力显微镜，在探针与试件之间形成不同类型的微纳尺度接触。然后通过探针与不同材料、不同晶向的试件表面之间的接触力学行为实验和接触滑动力学行为实验，分析了微纳尺度接触和滑动接触过程中力学参数变化、作用力变化的力学特性以及接触变形的特点，揭示微纳尺度表面接触的力学机理。