基于微观力学模型的粗糙表面接触理论研究

Contact between rough surfaces is ubiquitous in nature and contact problems abound across all areas of engineering, such as, mechanical wear, pile extrusion, thermal conductivity, lubrication and sealing, light interference and so on. The understanding of the rough contact behavior and its effective modeling continues to be a challenging problem even with contributions spanning more than a century. Thus，this research aims to provide a reasonable model based on random process, fractal and micromechanics. Four aspects will be emphasized in this research: (1) use random process and fractal to describe the geometry of two contacting rough surfaces; (2) consider the interaction between adjacent asperity contacts and study the coupling effect between normal and shear forces via asperity contact orientation; (3) use a structure function to consider prefractal behavior; and (4) solve the nonlinear equation system under different boundary conditions and study the path dependence of contact behavior.

粗糙表面的接触现象无时不在，无处不有，其理论在机械磨损、桩基挤压、热传导、润滑与密封、光干涉等领域均有广泛应用。但其接触机理至今仍不够明确，因而是一个亟待解决的科学问题。本课题以随机过程理论、分形理论以及微凸体接触力学为基础，旨在提出一个更加完善的粗糙表面接触模型，为工程实践提供理论基础。本项目的主要创新点包括：（1）结合随机过程理论和分形理论描述两粗糙接触面的几何特征，从理论上推导微凸体接触对的数量、接触方向等参数；(2)考虑相邻微凸体接触对间的相互作用，从微凸体接触方向的角度研究粗糙表面压力和剪力间的耦合行为；(3)利用结构函数考虑分形特征的范围；（4）求解不同边界条件下的接触行为，考虑加载过程中接触行为的路径相关特性。

粗糙表面接触、摩擦是一个具有很强工程应用背景的挑战性课题。本课题以随机过程理论、分形理论、连续介质力学理论为基础，提出了一个适用于粗糙表面接触摩擦的框架性模型，为工程应用提供新的理论支撑。本课题的主要研究工作包括：.（1）结合随机过程理论和分形理论推导了粗糙面接触过程中的几何特征，其中包括了微凸体接触对数量和方向等参数；（2）利用格林函数法研究了微凸体接触对接触过程中的相互作用,该作用在大部分微凸体模型中被忽略；（3）考虑了微凸体接触过程中建立和压力间的耦合作用；（4）分析了分形界面的波长敏感性；（5）研究了不同接触边界下的求解特性。