线接触作用下超薄膜-基底界面力学分析
【图文】：
。在轴承、齿轮接触分析中采用有限元方法计算超薄膜-基底的界面应力状态时，由于薄膜尺度与接触影响区尺度差异较大，有限元网格划分存在较大困难，计算量也较大。本文针对轴承钢表面的亚微米尺度超薄膜的工程应用，考虑建立线接触载荷作用下的膜-基系统界面力学模型，并通过位势理论镜像法进行求解，以获得薄膜-基底系统内部的应力与变形分布状态，为实际工程应用中的薄膜设计和膜基界面分析提供参考。1超薄膜-基底系统界面力学建模对超薄膜-基底系统进行界面力学分析建模时，根据问题对象采用双材料结合系统，如图1所示。膜基系统在与对偶件接触并发生摩擦的状态下，薄膜表面在力载的作用下受力变形，如图1中受力变形区域所示。在接触区域中，薄膜受到与其表面垂直和平行的力系作用。如图1所示，基底材料II表面沉积厚度为h的超薄膜材料I，在基底与薄膜交界处形成膜基界面，XYhaaq()p()dO11E,22E,0pS1O图1膜基系统表面力载分布Fig.1Surfaceloadsofsolidthinfilm-substratesystem薄膜上表面为自由表面。以膜基界面为X坐标轴(实数轴)，过O1点引X轴垂线为Y坐标轴(虚数轴)，，两坐标轴相交于坐标系原点O，由此建立全局坐标系XOY。设薄膜材料I和基底材料II的弹性模量分别为E1、E2，泊松比分别为1、2。因为超薄膜相对于基底厚度(设厚度为h)差异极大，基底可视为半无限大空间。对于不同大小或分布形式的表面力系，均可以根据膜基系统表面受基础单位力(单元法向力和单元切向力)作用的解，通过格林函数的积分形式进行表达：只需按照表面力系分布形式进行积分或叠加即可获得相应表面载荷问题的解。表面分布载荷可沿作用区域以单位点力的积分表示为：d[()i()]dSSLpq(1)式
?设厚度为h)差异极大，基底可视为半无限大空间。对于不同大小或分布形式的表面力系，均可以根据膜基系统表面受基础单位力(单元法向力和单元切向力)作用的解，通过格林函数的积分形式进行表达：只需按照表面力系分布形式进行积分或叠加即可获得相应表面载荷问题的解。表面分布载荷可沿作用区域以单位点力的积分表示为：d[()i()]dSSLpq(1)式(1)中：S为表面分布载荷作用区域；L为单元点力载荷；η为表面力系分布区域的积分变量；p(η)和q(η)分别为单元法向力和单元切向力。提取单元力p(η)和q(η)，由此建立图2所示表1OXYO1CQ(x,y)h3O2O3C2CLp()21x21y1R3R2R22x22y13211E,22E,y1y2x1x1x2x2xyq()图2膜基系统界面力学分析模型Fig.2Analysismodelofinterfacemechanicsforsolidthinfilm-substratesystem
【作者单位】： 哈尔滨工业大学航空宇航摩擦学研究室;
【基金】：国家自然科学基金项目(51275125,U1537214,51475452) 国家重点基础研究发展规划项目(973)(2013CB632305)
【分类号】：TB383.2
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