重复接触条件下陶瓷轴承运动副真实粗糙表面稳定性研究

瞄准高速加工中心、精密机床等重大装备电主轴陶瓷轴承的设计、制造与使用所面临的关键共性问题，以提高陶瓷轴承的承载能力和使用寿命为背景，围绕陶瓷轴承运动副粗糙表面接触的稳定性问题展开研究。通过发展陶瓷轴承粗糙表面接触稳定性问题的理论、模型及数值模拟技术，探索重复接触条件下，高速重载陶瓷轴承运动副表面几何形貌结构、润滑特性、轴承运动条件以及轴承材料的性能等对接触稳定性的影响规律；研究运动副表面微凸体接触及变形、滚道粗糙表面形貌演化、滚道表面及次表面发生的弹塑性变形及累积演化、滚道残余应力应变累积演化、接触区域的演化等随接触次数的行为规律，结合试验测试结果，揭示影响陶瓷轴承接触的最不敏感因素，确定稳定性存在条件，为发展高速重载陶瓷精密轴承设计、加工与应用技术，延长陶瓷轴承使用寿命，提供理论基础和科学依据。

本项目针对陶瓷轴承粗糙表面接触稳定性问题进行深入研究，获得如下结果：.1、基于经典的安定理论与随动强化模型的一般性质，将结构在强化过程中的背应力计入Von Mises屈服准则，建立了随动强化条件下结构的静力安定定理；将背应力与对应的塑性应变率的点积在一个载荷循环内的积分计入塑性耗散功，建立了随动强化条件下结构的机动安定定理，扩展了经典安定理论的应用范围。针对两种定理的存在格式进行了理论证明，并以推论形式给出结构在随动强化条件下静力安定和机动安定另外两种存在格式。结果表明，随动强化材料的安定状态和安定极限不受强化过程的影响，只取决于材料的初始屈服应力和最终屈服应力。.2、基于线性随动强化理论和Von. Mises屈服准则，对蒙板结构直接安定分析法进行了扩展，建立了结构的三维安定直接分析法。根据投射原理，推导出结构发生塑性安定的存在条件，便于调整控制加载步长和载荷历程。采用逐次增量加载方式，确定出背应力的偏移范围，克服了原始直接分析法不能获得安定极限的缺陷，并得到安定极限条件下结构中残余应力与应变的分布状况。该数值方法将弹塑性问题分解为弹性问题和特征应变决定的残余问题，节约计算时间，提高计算效率，将该算法应用于相关算例，并与有关数值结果相比较，验证了该算法的有效性。.3、利用ABAQUS的UMAT接口，将Armstrong and Frederick循环塑性材料模型嵌入软件中，完成了分形粗糙表面接触模型在反复加载卸载下的接触特性分析。分析表明，在此材料模型下，一次加载卸载之后材料便获得了最大的残余变形，在后续的加载卸载过程中不在产生新的塑性变形。基于分形粗糙表面接触模型，研究了外载荷、分形维数以及材料参数对接触特性的影响。结果表明，无论在何种分形维数，材料参数下，即使粗糙表面发生了明显的塑性变形，在加载过程中，实际接触区域与外载荷均呈递增关系。在加载的初始阶段，分形维数越大，模型的接触刚度越小，随着载荷的增加，分形维数越大，模型的接触刚度越大。加载卸载完成后粗糙表面的残余变形主要集中在粗糙峰的凸起部分，对于谷底的形貌几乎没有影响。