表面周期性粗糙度对接触黏滑行为的影响

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20239038

摘要/Abstract

摘要：

为研究表面周期性粗糙度对接触界面黏滑特性的作用机制，利用有限元方法，建立了滑块-平板接触三维柔性体模型，分析了表面光滑以及单/双表面粗糙条件下的接触黏滑运动过程.结果表明，在速度加载阶段，对于表面光滑工况，系统振动形式表现为初始的单次黏滑振动和后续的持续滑移振动.对于单表面粗糙工况，系统发生了不稳定周期振动，且振动形式表现为循环往复的黏滑振动.对于双表面粗糙工况，受双接触表面复杂的粗糙度影响，系统振动响应表现为往复无序的黏滑振动.适当减小粗糙度幅值和增大粗糙度波长，有利于促进粗糙表面接触.

关键词: 周期性粗糙度, 接触界面, 黏滑行为, 有限元方法, 振动响应

Abstract:

In order to investigate the mechanism of surface periodic roughness on the stick‑slip characteristics of the contact interface， a three‑dimensional flexible‑body model of the slider‑plate contact was established by using the finite element method， and the contact stick‑slip motion processes under the surface smoothness and single/double surface roughness conditions were analyzed. The results indicated that during the velocity loading phase， the vibration form of the system is characterized by initial single stick‑slip vibration and subsequent sustained slip vibration under the surface smoothness condition. Under the single‑surface roughness condition， the unsteady periodic vibration occurs in the system， and the vibration manifests itself in the form of cyclic stick‑slip vibrations. Under the double‑surface roughness condition， influenced by the complex roughness of double contact surfaces， the vibration response of the system manifests the reciprocating and disorderly stick‑slip vibrations. Appropriate reduction of roughness amplitude and increase of roughness wavelength are beneficial to promote the rough surface contact.

Key words: periodic roughness, contact interface, stick?slip behavior, finite element method, vibration response

中图分类号:

TH 117.1

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图/表 15

图1 数值模型图

Fig.1 Diagram of the numerical model

表1 模型材料参数

Table 1 Model material parameters

材料	参数	取值
滑块/平板	密度/（kg·m^-3）	7 800
	弹性模量/Pa	2.1×10¹¹
	泊松比	0.3
弹簧	刚度/（N·m^-1）	10 000
阻尼器	阻尼/（N·s·m^-1）	5 000

图2 平板z方向位移

Fig.2 Displacement in plate z direction

图3 接触黏滑分布（红色表示黏着，绿色表示滑移，蓝色表示未接触）（a）—1.00 s；（b）—1.05 s；（c）—1.20 s；（d）—1.65 s；（e）—1.95 s.

Fig.3 Contact stick‑slip distribution （red indicates adhesion, green indicates slip, blue indicates no contact）

图4 z方向接触力时域曲线

Fig.4 Time‑domain curve of contact force in z direction

图5 滑块z方向的速度曲线

Fig.5 Velocity curve of the slider in z direction

图6 滑块下表面粗糙度分布

Fig.6 Roughness distribution on the lower surface of the slider

图7 接触黏滑分布（红色表示黏着，绿色表示滑移，蓝色表示未接触）（a）—1.00 s；（b）—1.01 s；（c）—1.02 s；（d）—1.03 s；（e）—1.04 s.

Fig.7 Contact stick‑slip distribution （red indicates adhesion, green indicates slip, blue indicates no contact）

图8 单表面粗糙工况下z方向接触力时域曲线

Fig.8 Time‑domain curve of contact force in z direction under the single‑surface roughness condition

图9 单表面粗糙工况下滑块z方向的速度曲线

Fig.9 Velocity curve of the slider in z direction under the single‑surface roughness condition

图10 平板接触表面粗糙度分布

Fig.10 Roughness distribution on the contact surface of the plate

图11 接触黏滑分布（红色表示黏着，绿色表示滑移，蓝色表示未接触）（a）—1.00 s；（b）—1.01 s；（c）—1.02 s；（d）—1.03 s；（e）—1.04 s.

Fig.11 Contact stick‑slip distribution （red indicates adhesion,green indicates slip,blue indicates no contact）

图12 双表面粗糙工况下z方向接触力时域曲线

Fig.12 Time‑domain curve of contact force in z direction under the double‑surface roughness condition

图13 双表面粗糙工况下滑块z方向的速度曲线

Fig.13 Velocity curve of the slider in z direction under the double-surface roughness condition

表2 不同粗糙度下接触黏滑结果对比

Table 2 Comparison of contact stick-slip results under different roughnesses

工况	粗糙度	振动响应周期性	振动形式	界面未接触
单表面粗糙	幅值0.06 mm，波长2 mm	存在	黏滑振动	不存在
	幅值0.14 mm，波长2 mm	存在	黏滑振动	不存在
	幅值0.10 mm，波长1 mm	存在	黏滑振动	不存在
	幅值0.10 mm，波长4 mm	存在	黏滑振动	不存在
	幅值0.10 mm，波长2 mm	存在	黏滑振动	不存在
双表面粗糙	幅值0.06 mm，波长2 mm	不存在	黏滑振动	不存在
	幅值0.14 mm，波长2 mm	不存在	黏滑振动	存在
	幅值0.10 mm，波长1 mm	不存在	黏滑振动	存在
	幅值0.10 mm，波长4 mm	不存在	黏滑振动	不存在
	幅值0.10 mm，波长2 mm	不存在	黏滑振动	存在

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