球形夹杂对球体弹性接触力学性能的影响

作     者：苏宇龙 张新星 原园 郑建明 

作者机构：西安理工大学机械与精密仪器工程学院 

出 版 物：《应用力学学报》 (Chinese Journal of Applied Mechanics)

年 卷 期：2025年

学科分类：08[工学] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(No.52175146) 陕西省自然科学基金目(2021JM-326) 

主　　题：球形夹杂 球形基体 接触 有限元 弹性临界压痕量 

摘      要：为了准确预测含夹杂结构的接触力学性质，建立了含球形夹杂的球体与刚性平面接触的有限元模型。在有限元模型中，具有轴对称特征的球形夹杂和球形基体分别简化为二分之一圆和四分之一圆，球形夹杂与球形基体之间不发生相对运动。球形夹杂和球形基体被分别定义为弹性体和弹塑性体，球形夹杂为硬夹杂，即球形夹杂与球形基体弹性模量的比值被规定为大于等于1。通过对有限元模型的求解，研究了夹杂与基体的弹性模量之比、无量纲夹杂半径、无量纲夹杂深度对球形基体接触力学行为的影响，拟合出球形基体的弹性临界压痕量、弹性接触载荷、弹性接触压力峰值与球形夹杂物理参数之间的解析表达式。研究结果表明：球形夹杂与球形基体弹性模量的比值介于1和1.2之间，无量纲夹杂深度小于0.21，夹杂的弹性效应强于夹杂与球形基体的应力不匹配效应，夹杂的存在提高了球形基体的弹性临界压痕量；球形夹杂与球形基体弹性模量的比值大于1.4，无量纲夹杂深度小于等于3.5，应力不匹配效应强于夹杂的弹性效应，导致基体过早发生屈服，缩小球形基体的弹性变形范围；无量纲夹杂深度大于3.5，夹杂位于球形基体接触变形区域之外，故不影响球形基体的接触力学行为。