213 / 2021-04-07 19:57:26

高性能装配连接界面设计理论与方法

装配连接界面,接触应力,分布均匀性,形貌设计,材料刚度设计

装配连接界面是承载和保障机械装备实现既定功能的“载体”，其界面接触特性是影响机械装备磨损、疲劳、裂纹的关键因素，对机械装备整体高性能服役具有“锚定”作用。传统“经验驱动”为导向的装配连接工艺优化难以满足日益恶劣化和极端化的复杂服役环境下装配连接界面的高服役性能、高可靠性要求。如果抛开装配连接工艺，聚焦于装配连接界面自身，装配连接界面的宏观、微观形貌和机械物理特性（如刚度、硬度）就是影响装配时装配连接界面实际接触情势及其接触变形状态的核心要素^[1-3]，形貌设计与机械物理特性设计成为提升界面接触特性的突破口。然而，在现有的工程设计中，装配连接界面往往遵循平面均质材料的固化设计理念，往往被设计制造为平坦且具有均匀机械物理特性的表面。

为此，在保持提升装配连接界面接触特性的前提下，本文开展了装配连接界面的非平坦表面设计、非均质材料设计。首先，以提升装配连接界面接触应力分布均匀性为目标，基于渐进优化原理，构建了装配连接界面形貌与装配连接界面表层材料刚度渐进衍化优化设计方法。然后，针对典型单螺栓连接问题开展了表面形貌设计、表层材料刚度设计，结果表明，二者均可大幅降低接触应力方差，验证了形貌设计、材料刚度设计在提升连接界面接触应力分布均匀性上的有效性。进一步研究不同问题、不同摩擦系数取值下摩擦行为对材料刚度设计结果的影响，发现摩擦行为的影响程度大小与问题边界、约束等情况密切相关。



参考文献：

[1]   LIN Q, YANG N, HONG J, et al. An Optimization Design of Contact Interface Material Stiffness for Improving the Uniformity of the Contact Pressure[J]. Journal of Tribology-transactions of the ASME, 2020, 142(6)：1-18.

[2]   ZHOU Y, LIN Q, HONG J, et al. Combined interface shape and material stiffness optimization for uniform distribution of contact stress[J]. Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2020：1-15.

[3]   ZHOU Y, LIN Q, HONG J, et al. Bi-objective optimization design of material stiffness for improving contact interface performances[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2020.