《中国制造2025》为高端装备制造规划了战略蓝图。在高端机械装备中,机械结合面是考虑的关键因素,其零件结合面的静、动态接触刚度和阻尼影响着整机的性能,整机刚度的50%来源于结合面刚度,整机阻尼50%~80%来自于结合面接触产生的阻尼,因此,研究机械结合面接触刚度和阻尼显得非常重要。通常学者们研究主要集中于各向同性表面假设下来计算结合面法向接触刚度和阻尼参数,对于实际工况下的各向异性表面切向接触特性参数的研究较少。本文先建立具有表征各向异性随机表面微凸体高度的联合概率密度函数,然后在法向、切向载荷共同作用的基础上,建立微观微凸体切向静、动态接触理论模型,并扩展到整个结合面上建立接触刚度和阻尼模型,最后通过实验验证分析。其主要内容如下:(1)首先描述了各向异性(随机)表面的特征,其次在Buczkowski和P.Ranganath Nayak等人的理论基础上,采用随机过程理论、傅里叶变换理论导出各向异性(随机)表面功率谱密度与自相关函数之间的关系,获得描述微凸体各个变量参数的表述形式,并通过二维随机变量表征微凸体的高度分布,最后建立随机表面微凸体高度分布的联合概率密度函数。(2)在法向载荷作用力的基础上,同时施加切向静态载荷,运用KE模型、Mindlin和Fujimoto理论建立法向接触三阶段(弹性、弹塑性、塑性)和切向接触两状态(黏滑、滑移)的结合面摩擦行为的加卸载切向静态接触刚度模型。通过对无量纲化模型进行MATLAB仿真,分析了结合面法向接触载荷、法向变形量、塑性指数、摩擦系数、表面硬度等因素对切向静态接触刚度的影响,并进行各向同性、异性表面的对比。研究表明:各向同性、各向异性不同表面接触下,切向静态接触刚度随各因素的变化规律是相似的;在法向接触载荷、法向变形量等因素增加下,切向静态接触刚度随之增加,且在相同外载荷引起的法向接触载荷下,切向静态刚度随着塑性指数的增加呈现非线性增加。(3)在切向静态接触模型的基础上,考虑施加切向动态激振载荷的作用,引入切向简谐动态位移△ξ,建立微凸体切向动态接触刚度模型,然后根据Mindlin和Fujimoto理论,得到微凸体在一个振动周期内的耗能与等效粘性阻尼,并推广到整个结合面。通过对无量纲化模型进行MATLAB仿真,分析了结合面法向载荷、切向相对位移幅值、激振频率、摩擦系数、表面硬度对切向动态接触刚度、接触阻尼的影响,并进行各向同性、异性的对比。研究表明:在各向同性、各向异性不同表面纹理接触下,切向动态接触刚度变化规律是相似的、且切向接触阻尼变化规律也是相似的;切向动态接触刚度随法向接触载荷、激振频率、动态相对位移幅值、表面硬度等变量值的增加而增加;切向接触阻尼随法向接触载荷的增加而增加,随着激振频率、相对位移幅值、硬度的增加而减小。(4)对实验试件进行表面形貌的测量,获得各向同性、各向异性表面的形貌参数量;在结合面实验平台上,对车削、铣削、电火花加工的45钢配对结合面进行切向静、动态实验,获得了切向静态接触刚度与法向载荷之间的关系,以及切向动态接触刚度和接触阻尼与法向接触载荷、动态相对位移幅值、激振频率之间的实验规律,最后将实验数据与理论模型仿真结果进行对比。研究表明:铣削(各向异性)加工表面相貌纹理清晰,电火花(各向同性)加工表面没有明显的纹理。考虑各向异性、各向同性表面接触下切向静动态接触刚度和阻尼模型与实验所得的结果变化规律相同,且各向同性表面切向静态接触刚度大于各向异性表面刚度,动态接触刚度和阻尼与之相反。