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解决协调接触问题的方法

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:经过Hertz、Mindlin、Nowell以及Hills等的研究工作,非协调接触问题已经得到很好的解决。可见,接触区切应力分布的计算值与实际分布存在一定的误差,但总体趋势一致,结果较为合理。图2.8面-面接触情况接触表面的切应力分布a/b=0.3时不同载荷状态下的切应力分布图2.8面-面接触情况接触表面的切应力分布(续)a/b=0.8时不同载荷状态下的切应力分布

解决协调接触问题的方法

经过Hertz、Mindlin、Nowell以及Hills等的研究工作,非协调接触问题已经得到很好的解决。然而,对于面-面接触即所谓的协调接触问题,求解难度较大。首先,两接触表面之间无初始间隙,这样就不能简单地通过二次多项式来描述;另外,协调接触表面常常不符合Hertz理论的应用条件,在载荷的作用下,接触区的尺寸迅速扩大,可能变得与接触体本身的有效尺寸相当,因此接触体不能再等效为弹性半空间。

对于实际工程中零部件间的平面接触问题,由于接触区边缘大多存在加工圆角,因此可将问题描述为如图2.6所示的带圆角的平面接触问题。圆角半径为R的平底物体在法向载荷P和切向载荷Q的作用下与弹性半空间发生接触并发生变形。未接触前,接触区半宽为a;发生接触后,由于弹性变形,使接触区变宽,接触半宽变为b,接触区中心的黏着区半宽为c。

Ciavarella和Hills等针对该接触问题进行了深入研究,给出了该接触问题应力场分布的近似解。鉴于篇幅和内容所限,本书仅给出相关的结论,具体的求解和推导过程,读者可查阅相关文献

在接触区-b<x<b内,令

x=bsinφ (2.41)

b=asinφ0 (2.42)

图2.6 带圆角的平面接触问题模型

则接触区的接触压力分布为

φ0可由下式确定:

将接触压力做归一化处理,不同情况下的接触压力分布如图2.7所示。可见,面-面接触区的接触压力分布并不为均匀分布,距接触区边缘越近应力梯度越大。理论上讲,当a/b=1,即无圆角的理想协调接触状态下,接触区边缘的接触压力趋于无穷大。反之,当a/b=0时该问题退化为Hertz接触问题。

接触表面切应力的分布为

(www.xing528.com)

其中,R*由下式确定:

式中,R为接触面边缘的圆角。

图2.7 面-面接触情况接触表面的接触应力分布

黏着区半宽c可由下式确定:

将切应力做归一化处理,不同情况下,接触表面的切应力分布如图2.8所示。可见,接触区切应力分布的计算值与实际分布存在一定的误差,但总体趋势一致,结果较为合理。

图2.8 面-面接触情况接触表面的切应力分布

(a)a/b=0.3时不同载荷状态下的切应力分布

图2.8 面-面接触情况接触表面的切应力分布(续)

(b)a/b=0.8时不同载荷状态下的切应力分布

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