(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211157131.1 (22)申请日 2022.09.22 (66)本国优先权数据 202210766919.6 202 2.07.01 CN (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 (72)发明人 李志敏　刘涛　袁巍　荆建平　 康贺贺　 (74)专利代理 机构 北京中创博腾知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11636 专利代理师 李梅 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 17/18(2006.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑宏微观形貌特征的界面切向接触 刚度预测方法 (57)摘要 本发明适用 于典型非连续界面接触分析领 域， 提供了一种考虑宏微观形貌特征的界面切向 接触刚度预测方法， 包括如下步骤： 建立微凸体 法向接触力学模 型； 建立仅考虑微观形貌的界面 法向接触模 型； 将界面宏观形状和位置偏差用线 性形状函数表征； 将界面宏观形位偏差转变为粗 糙界面微凸体高度基准线与等效刚性平面之间 的距离变动； 建立含宏观偏差和介 观形貌特征的 多尺度粗糙界面法向接触力学模 型； 将单一微凸 体切向黏滑行为用非线性弹簧单元来表征； 得到 整个界面切向力表达方程； 求解界面微凸体切向 临界滑移力分布函数； 得到粗糙界面切向接触力 学模型； 计算接触刚度。 本方法具有普适性， 便于 解决含多尺度形貌参数下界面切向刚度难以表 征的问题。 权利要求书4页 说明书10页 附图5页 CN 115438446 A 2022.12.06 CN 115438446 A 1.一种考虑宏微观形貌特征的界面切向接触刚度预测方法， 其特征在于， 该方法包括 如下步骤： 步骤1： 建立单一微观尺度 下的微凸体法向接触力学模型， 且两个粗糙面接触等效为一 个刚性平面和一个粗糙面之间的接触， 粗糙面分布均分的微凸体， 微凸体等效半径为R、 高 度z、 微凸体法向变形量ω以及刚性平面与粗 糙面平均高度线之间的间距d； 步骤2： 基于统计学求和方法将高度随机分布的单一微凸体的法向载荷与位移关系转 变为界面整体法向位移和界面法向载荷之 间的关系， 建立仅考虑微观形貌的界面法向接触 模型； 步骤3： 将界面宏观形状和位置偏差用线性形状函数Sv表征， 包括角度偏差和位置偏差； 步骤4： 将界面宏观形位偏差转变为粗糙界面微凸体高度基准线与等效刚性平面之间 的距离变动， 并记为d(x,y)； 步骤5： 将界面的介观形貌表征为波纹状的形状函数， 耦合到粗糙界面微凸体高度基准 线与等效刚性平面之 间的距离函数中， 以此建立含宏观偏差和介观形貌特征的多尺度粗糙 界面法向接触力学模型； 步骤6： 将单一 微凸体切向黏滑行为用非线性弹簧单 元来表征； 步骤7： 将微凸体切向力与位移关系进行无量纲化处理， 用统计学求和方法得到基于微 凸体切向临界滑 移力分布函数表征的整个界面切向力表达方程； 步骤8： 基于步骤5 中已建立的多尺度粗糙界面法向接触力学模型和库伦定律求解界面 微凸体切向临界滑 移力分布函数ρ*(φ)； 步骤9： 将步骤8中得出的界面微凸体切向临界滑移力分布函数带入到界面切向力表达 方程中， 得到含多尺度形貌表征的粗 糙界面切向接触力学模型； 步骤10： 在给定界面法向载荷下， 通过施加界面切向位移， 得到切向接触力， 基于切向 力‑位移关系得到不同切向位移下的切向接触刚度。 2.根据权利要求1所述的考虑宏微观形貌特征的界面切向接触刚度预测方法， 其特征 在于， 在步骤1中， 所述单一微观尺度下的微凸体法向接触力学模型包括微凸体随法向变形 量变化的弹性、 弹 塑性以及塑性阶段变形力关系； 其中微凸体弹性变形阶段的力fe、 压强pe以及接触面积ae之间的关系表示 为： 微凸体纯弹性变形临界变形量如下： 当法向载荷足够大时， 微凸体就会发生全塑性变形， 相应地接触力fp、 接触压力pp以及 接触面积ap如下所示： fp＝2 πHRω， ap＝2 π Rω， pp＝H       (3)； 椭圆曲线在弹塑性阶段和塑性阶段的临界点ω2处满足连续性条件和光滑性条件， 具体 表达式如下：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115438446 A 2其中p2是在点ω＝ω2时的临界接触压力， C1和C2是弹塑性阶段的关系式的常系数， 可以 表示如下： 接触面积aep表达式用指数函数进行表示， 如下： 弹塑性混合阶段的接触力关系可以表示如下： fep＝pep×aep           (9)； 将式(1)、 (3)和(9)相结合， 能够得到单个微凸体从弹性阶段到全塑性阶段的法向接触 力表达式。 3.根据权利要求1所述的考虑宏微观形貌特征的界面切向接触刚度预测方法， 其特征 在于， 在步骤2中， 将界面所有微凸体接触力在整个名义接触区间内进行积分， 得到整个接 触面的法向接触力； 高度概 率分布函数φ*(z*)如下所示： 概率密度函数φ*(z*)可以划分为纯弹性区、 弹 塑性区以及全塑性区； 通过将纯弹性区、 弹塑性区以及全塑性区三个变形区的所有微凸体相加， 可以获得接 触界面总的接触力N， 具体表达式如下 所示： 通过公式(1 1)， 建立了界面含微观形貌的法向接触 基本模型。 4.根据权利要求1所述的考虑宏微观形貌特征的界面切向接触刚度预测方法， 其特征 在于， 在步骤3中， 由于界面长度和宽度方向的宏观角度偏差α和β 的存在以及沿界面法向方 向的位置偏差z的存在， 表面轮廓基准线会偏 离名义值， 表 面轮廓基准线与等效刚性平面之 间的距离 h会发生改变， 这里定 义界面的宏观偏差为Sv(x， y)＝‑xβ +yα +Δ z        (13)。 5.根据权利要求1所述的考虑宏微观形貌特征的界面切向接触刚度预测方法， 其特征 在于， 在步骤4中， 参数d可以表达如下： d(x,y)＝d0‑Sv(x,y)        (14)；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115438446 A 3