随着微型器件尺寸的减小,界面处的尺度效应、表/界面效应及其耦合作用机制愈加明显,由此带来的泄漏、摩擦和磨损等已经成为器件继续发展的制约因素。对于实际的微型器件界面,一方面,它们的尺寸属于宏观尺度,另一方面,又呈现出微观特性;同时,它们又是一个多层次、跨尺度、非线性、多场耦合的复杂系统。这对系统的设计、响应性能以及使用寿命等都有着重要的影响,而目前该尺度下界面处固体介质的理论建模和表征方法尚不完善,并且缺乏相应的物理性能实验测量原理和技术。因此,有必要开展在介观尺度下界面处固体介质的理论建模、表征方法和物理性能演化规律的研究,从而为微型器件的设计和发展提供理论基础和分析手段。本文首先对微型往复活塞式内燃机进行基于光滑表面的理论分析,旨在揭示界面特性对系统响应的重要影响和普遍存在的关键问题,进而引出本文的主要研究内容。然后,针对单个球体接触状态存在的不足,提出一种新的混合弹塑性接触模型。再者,为了将单个球体的接触特性拓展到整个粗糙表面,针对已有粗糙表面表征方法存在的不足,提出一个新的微凸峰确定准则,并且通过增加约束条件,考虑相邻球体间的相互作用。在此基础上,对粗糙表面轮廓的物理性能演化规律进行研究。最后,对微型内燃机进行试验测试,并且应用本文模型进行分析,进而探讨微型内燃机极限尺寸的可行性。论文的主要内容有以下几个方面:(1)对微型内燃机进行理论分析,基于热力学状态和Navier-Stokes方程以及多体动力学理论建立光滑表面的理论模型,研究不同间隙、转速以及接触参数等对其性能的影响。结果表明,界面特性对系统的密封性和动力性等都有着重要的影响,通过不同作用机制下分析结果的对比,固体接触的影响更为突出。鉴于此,提出对粗糙表面固体接触问题有必要作深入研究。(2)为了研究粗糙表面的接触问题,首先分析单个球体的接触状态。根据界面处微凸体变化的连续性、单调性和光滑性原理,将等效球体中的弹性和塑性状态扩展到整个接触过程,在Hertz和Abbott-Firestone经典接触模型的基础上,提出单个球体的混合弹塑性接触模型。通过文献中已有的实验数据,并且与文献中不同的接触模型进行对比,本文模型能够较好地与实验数据吻合,尤其是铜和铝合金材料在大的法向变形量情况下,相对于其他模型更具有优势。基于此,推导出界面处固体介质的法、切向动力学参量以及能量耗散在混合弹塑性状态下的计算模型,并且分析其与外加激励、材料硬度等之间的关系。(3)为了将单个球体的接触特性拓展到整个粗糙表面,将谷的概念引入到粗糙表面的表征方法中,在3点峰和3点谷的基础上,定义当3个连续峰的中间峰高于相邻峰时为真峰,当3个连续谷的中间谷低于相邻谷时为真谷,进行匹配得到“谷-峰-谷”模式的微凸峰。该准则可使等效表面具有连续性,并且克服已有准则的不足,为固体介质物理性能的演化提供基准。在粗糙表面压缩过程中,通过增加几何重叠和固体表面能等约束条件,根据材料守恒原理,考虑同一表面上相邻球体间的相互作用。基于此,对一组粗糙表面轮廓的微凸峰特性、法向载荷作用下的接触面积和黏着力、滑动过程中的接触温度和磨损特性以及表面润湿等的演化规律进行分析,并且与文献中不同确定准则的结果进行对比。(4)对微型往复活塞式内燃机进行试验测试,首先,以缸径为11 mm的点燃式和缸径为9 mm的压燃式内燃机为对象,利用本文模型对动力性能和接触温度等参数进行分析,并且与测试结果对比,验证本文模型的有效性。随后,将微型和常规等不同尺度内燃机的性能参数进行对比,对微型内燃机结构可能存在的极限尺寸进行研究。结果表明,缸径为2,乃至1 mm的微型内燃机是具有可行性的,并且通过对缸径为2 mm的主要性能参数进行分析,提出活塞设计为“L”形、合理间隙为2~3μm、曲轴侧向进气以及活塞和曲轴衬套采用石墨材料等方案。本文提出的理论模型和表征方法为粗糙表面的研究提供一个新的研究思路,在此基础上获得的介观尺度下界面处物性演化规律为微型内燃机的进一步微型化,或者其它微型器件的发展都能够提供理论参考和设计指导。