考虑切向载荷的粘着接触模型研究

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粘着接触与摩擦广泛存在于工程实践和日常生活中并具有重要意义,如微机电系统的粘着失效、仿生胶带等。尽管法向载荷下的粘着接触问题已得到较为广泛且深入的研究,但是粘着接触与切向载荷相互作用仍是个开放的问题。而且该问题的研究对于理解微纳米尺度下的摩擦与磨损行为具有重要意义。在滑动起始过程中,据接触物体在切向载荷下可能发生的滑动或滚动,本文开展了以下内容的研究:  首先本文研究了圆柱体在切向载荷分量下的粘着接触问题,建立了广义的二维双赫兹(D-H)模型。其中在法向载荷下,接触界面的法向面力分布与传统 D-H模型一致,即界面可分为粘着区和接触区,面力可看作两组Hertz接触压力的叠加。而在切向载荷作用下,我们推广 D-H 模型,接触界面还存在切向内聚力区(与滑移区类似,但不完全相同)和切向接触区(与无滑区类似)。而且切向内聚力区的切向面力与其中法向接触压力成正比。切向接触区的切向面力则可由无滑条件得到。这样由模型所给出的面力不含奇异性。利用该模型进一步讨论了任意方向载荷作用下圆柱体接触尺寸与载荷间的关系,讨论模型的面力分布,并与相关实验结果进行了定性比较。  本文还研究了微纳球体在切向载荷下的粘着接触问题,建立了相应的广义D-H模型。该模型与圆柱体粘着模型做了完全类似的处理。利用该模型,得到了球形颗粒在任意载荷下的粘着接触行为和面力分布,表明载荷的切向分量具有剪切剥离效应,并与相关实验结果进行了比较。  本文建立了圆柱体的粘着滚动摩擦模型。将圆柱体的滚动起始处理为圆柱体与基底的斜粘着接触问题,结合考虑了接触前缘与后缘的粘着迟滞效应和粘着效应对滚动的影响,基于 JKR 模型,利用能量释放率与粘着能之间的平衡,得到了滚动起始相关的摩擦行为。通过数值计算,讨论了接触面两端粘着能差值(粘着迟滞)与滚动开始时的临界滚动角度和临界滚动摩擦力之间的关系。
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