加工中心地脚低速滑动界面法向刚度分形模型及试验
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前言：
界面的通常意义是指由2种材料形成的边界层，一般的界面力学考虑的界面是固体和固体形成的边界层[1]，界面主要描述2个固体接触之后的力学行为。表面是指2个固体接触时的公共轮廓，主要描述2个固体接触之前的力学参数，如表面的弹性模量与泊松比等。早在1915年，著名化学家wolfgang就提出界面科学研究的必要性，他认为界面是“被忽略尺度的世界”。也就是说界面研究所涉及的空间尺度超过了当今科学研究的尺度范围,即微观尺度的原子、分子或者宏观尺度的体相物质。界面科学是机械学领域中具有较大学科深度与难度的课题，也是现代机械工程学科的研究前沿和重大科学问题之一，具有科学研究的意义和工程实用价值。由于长期以来人们忽视了该领域的研究，使得界面科学的发展迄今还不十分完善。实践中人们认识到，机械零部件的表面品质和界面行为是影响机械零件性能，诸如接触疲劳强度、摩擦功耗、磨损寿命和抗腐蚀能力等至关重要的因素。又如，机械装备的动态性能以及振动和噪声也在很大程度上取决于各个接触界面的刚度和界面阻尼特性[2]。从是否滑动来看，界面可分为二类，即固定界面和滑动界面。滑动界面是指相互连接的2个零部件之间在工作状态时存在宏观相对滑动的界面。本文讨论2个零部件之间的接触，故滑动接触界面简称滑动界面。长期以来国内外科技工作者对此进行了许多研究工作。
(1) 固定界面的国内外研究现状分析。张学良等基于粗糙表面接触分形理论，*提出了界面法向接触刚度分形模型[3]和切向接触刚度分形模型[4]，通过数字仿真研究发现分形维数的增大及特征长度的减小都会引起法向接触刚度、切向接触刚度的增大。在把分形理论如何适当运用于机械装备方面张学良是。田红亮等>7]将赫兹接触与分形理论有机地起来，提出了改进的法向接触刚度分形模型，此外还结合分形接触与有限元思想，提出虚拟材料法建立了加工中心固定界面的模型。mao等[8]考虑界面自由度耦合，联合动力学参数与实测频率响应函数，辨识了栓接界面动态特征参数。hertz接触模型是在以下3个假设条件下得到的：①两接触表面非同曲；②接近接触区时，每个固体都视为半空间弹性体；③表面无摩擦。材料在加工和使用过程中，总要受到外力作用。材料受外力作用时所表现的性能称为力学性能，如强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。材料在外力作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形，不能够恢复的变形称为塑性变形。微凸体变形包括弹性变形与塑性变形，因此根据hertz接触模型的第2个假设，hertz接触模型没有考虑塑性变形，但hertz接触模型的基本弹性方程依然适用于实际工程。根据hertz接触模型的第3个假设，hertz接触模型没有考虑摩擦。上述文献存在一个共性瑕疵：皆以赫兹弹性理论为基础，由于大多数的物体的表面是加工制造而成，由于加工方法的不同，物体表面或多或少都会产生表面公差、
波纹度和粗糙度，因此2个物体接触后所形成的界面不可能是光滑的，赫兹弹性理论局限于无摩擦界面。摩擦接触问题的研究一直是科研人员与工程师们感兴趣的研究领域，且人们主要使用了数值计算方法中的有限元法和边界元法进行研究。然而由于有摩擦界面问题的复杂性，使得此问题至今仍未得到很好的解决。
(2) 滑动界面的国内外研究现状分析。chlebus等[9]用界面特性参数数据库及一组变横截面杆单元模拟界面的法向和切向特征，利用商业有限元软件实现自动建模，并对加工中心导轨界面进行有限元建模与特性分析计算，计算结果与试验误差在15%以内。mi等[1°]在对加工中心导轨部件进行模态试验的基础上，提出了一种将模态试验数据与有限元分析模型相集成的导轨结合部动力学参数的优化识别方法。wu等[11~]对滚动导轨的建模采用有限元法，将导轨同滑块之间的连接等效为若干弹簧-阻尼单元。ohta等[13_15]在考虑导轨同滑块连接的具体结构形式，每一个滚珠都用一个线性弹簧单元来模拟，其在建模方式上与宏观建模方式相比有了一定程度的进步，其建模方式相当于将滚珠同滑块之间的连接视为点-点接触，而实际滚珠同凹槽之间是一种面-面接触。毛宽民等[16]根据试验测得滚动直线导轨副滑动界面的柔度系数，推导出界面单元刚度矩阵。另外毛宽民等[17]考虑滚珠直线导轨的波纹度，当角位，?和艮值很小时，假设cos& «見，cos0v « 6^ , cos0__ « (正确表达式应为 cos0x «1，cos' ，cos& »1)推导滚珠与滑块接触点处曲率中心位置向量的变换矩阵，进而获得其位移与频谱。只有以面-面接触的建模方法来描述滚珠同沟槽的接触行为，才能更加精准地创建直线滚动导轨的力学模型。但是由于计算的复杂性，目前*考虑滚珠面-面接触形式来模拟导轨的动、静力学特性的研究并不多见。目前滑动界面基础试验数据有限，没文本框: (2)文本框: (3)文本框: 7c有形成一个团体性的数据库，只存在于部分研究机构，并且其适用范围还有待于进一步验证，工程上还没一个标准滑动试验样件，用于第三方来检验基础数据的有效性。同时如何将滑动界面的非线性动力学预测模型耦合到结构件的有限元模型中，预测、评价和验证工程实际中整体结构的动力学特性，是目前面临的重要难题。
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前言：
界面的通常意义是指由2种材料形成的边界层，一般的界面力学考虑的界面是固体和固体形成的边界层[1]，界面主要描述2个固体接触之后的力学行为。表面是指2个固体接触时的公共轮廓，主要描述2个固体接触之前的力学参数，如表面的弹性模量与泊松比等。早在1915年，著名化学家wolfgang就提出界面科学研究的必要性，他认为界面是“被忽略尺度的世界”。也就是说界面研究所涉及的空间尺度超过了当今科学研究的尺度范围,即微观尺度的原子、分子或者宏观尺度的体相物质。界面科学是机械学领域中具有较大学科深度与难度的课题，也是现代机械工程学科的研究前沿和重大科学问题之一，具有科学研究的意义和工程实用价值。由于长期以来人们忽视了该领域的研究，使得界面科学的发展迄今还不十分完善。实践中人们认识到，机械零部件的表面品质和界面行为是影响机械零件性能，诸如接触疲劳强度、摩擦功耗、磨损寿命和抗腐蚀能力等至关重要的因素。又如，机械装备的动态性能以及振动和噪声也在很大程度上取决于各个接触界面的刚度和界面阻尼特性[2]。从是否滑动来看，界面可分为二类，即固定界面和滑动界面。滑动界面是指相互连接的2个零部件之间在工作状态时存在宏观相对滑动的界面。本文讨论2个零部件之间的接触，故滑动接触界面简称滑动界面。长期以来国内外科技工作者对此进行了许多研究工作。
(1) 固定界面的国内外研究现状分析。张学良等基于粗糙表面接触分形理论，*提出了界面法向接触刚度分形模型[3]和切向接触刚度分形模型[4]，通过数字仿真研究发现分形维数的增大及特征长度的减小都会引起法向接触刚度、切向接触刚度的增大。在把分形理论如何适当运用于机械装备方面张学良是。田红亮等>7]将赫兹接触与分形理论有机地起来，提出了改进的法向接触刚度分形模型，此外还结合分形接触与有限元思想，提出虚拟材料法建立了加工中心固定界面的模型。mao等[8]考虑界面自由度耦合，联合动力学参数与实测频率响应函数，辨识了栓接界面动态特征参数。hertz接触模型是在以下3个假设条件下得到的：①两接触表面非同曲；②接近接触区时，每个固体都视为半空间弹性体；③表面无摩擦。材料在加工和使用过程中，总要受到外力作用。材料受外力作用时所表现的性能称为力学性能，如强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。材料在外力作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形，不能够恢复的变形称为塑性变形。微凸体变形包括弹性变形与塑性变形，因此根据hertz接触模型的第2个假设，hertz接触模型没有考虑塑性变形，但hertz接触模型的基本弹性方程依然适用于实际工程。根据hertz接触模型的第3个假设，hertz接触模型没有考虑摩擦。上述文献存在一个共性瑕疵：皆以赫兹弹性理论为基础，由于大多数的物体的表面是加工制造而成，由于加工方法的不同，物体表面或多或少都会产生表面公差、
波纹度和粗糙度，因此2个物体接触后所形成的界面不可能是光滑的，赫兹弹性理论局限于无摩擦界面。摩擦接触问题的研究一直是科研人员与工程师们感兴趣的研究领域，且人们主要使用了数值计算方法中的有限元法和边界元法进行研究。然而由于有摩擦界面问题的复杂性，使得此问题至今仍未得到很好的解决。
(2) 滑动界面的国内外研究现状分析。chlebus等[9]用界面特性参数数据库及一组变横截面杆单元模拟界面的法向和切向特征，利用商业有限元软件实现自动建模，并对加工中心导轨界面进行有限元建模与特性分析计算，计算结果与试验误差在15%以内。mi等[1°]在对加工中心导轨部件进行模态试验的基础上，提出了一种将模态试验数据与有限元分析模型相集成的导轨结合部动力学参数的优化识别方法。wu等[11~]对滚动导轨的建模采用有限元法，将导轨同滑块之间的连接等效为若干弹簧-阻尼单元。ohta等[13_15]在考虑导轨同滑块连接的具体结构形式，每一个滚珠都用一个线性弹簧单元来模拟，其在建模方式上与宏观建模方式相比有了一定程度的进步，其建模方式相当于将滚珠同滑块之间的连接视为点-点接触，而实际滚珠同凹槽之间是一种面-面接触。毛宽民等[16]根据试验测得滚动直线导轨副滑动界面的柔度系数，推导出界面单元刚度矩阵。另外毛宽民等[17]考虑滚珠直线导轨的波纹度，当角位，?和艮值很小时，假设cos& «見，cos0v « 6^ , cos0__ « (正确表达式应为 cos0x «1，cos' ，cos& »1)推导滚珠与滑块接触点处曲率中心位置向量的变换矩阵，进而获得其位移与频谱。只有以面-面接触的建模方法来描述滚珠同沟槽的接触行为，才能更加精准地创建直线滚动导轨的力学模型。但是由于计算的复杂性，目前*考虑滚珠面-面接触形式来模拟导轨的动、静力学特性的研究并不多见。目前滑动界面基础试验数据有限，没文本框: (2)文本框: (3)文本框: 7c有形成一个团体性的数据库，只存在于部分研究机构，并且其适用范围还有待于进一步验证，工程上还没一个标准滑动试验样件，用于第三方来检验基础数据的有效性。同时如何将滑动界面的非线性动力学预测模型耦合到结构件的有限元模型中，预测、评价和验证工程实际中整体结构的动力学特性，是目前面临的重要难题。
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