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前言：

界面的通常意義是指由2種材料形成的邊界層，一般的界面力學(xué)考慮的界面是固體和固體形成的邊界層^[1]，界面主要描述2個(gè)固體接觸之后的力學(xué)行為。表面是指2個(gè)固體接觸時(shí)的公共輪廓，主要描述2個(gè)固體接觸之前的力學(xué)參數(shù)，如表面的彈性模量與泊松比等。早在1915年，著名化學(xué)家WOLFGANG就提出界面科學(xué)研究的必要性，他認(rèn)為界面是“被忽略尺度的世界”。也就是說界面研究所涉及的空間尺度超過了當(dāng)今科學(xué)研究的尺度范圍,即微觀尺度的原子、分子或者宏觀尺度的體相物質(zhì)。界面科學(xué)是機(jī)械學(xué)領(lǐng)域中具有較大學(xué)科深度與難度的課題，也是現(xiàn)代機(jī)械工程學(xué)科的研究前沿和重大科學(xué)問題之一，具有科學(xué)研究的意義和工程實(shí)用價(jià)值。由于長(zhǎng)期以來人們忽視了該領(lǐng)域的研究，使得界面科學(xué)的發(fā)展迄今還不十分完善。實(shí)踐中人們認(rèn)識(shí)到，機(jī)械零部件的表面品質(zhì)和界面行為是影響機(jī)械零件性能，諸如接觸疲勞強(qiáng)度、摩擦功耗、磨損壽命和抗腐蝕能力等至關(guān)重要的因素。又如，機(jī)械裝備的動(dòng)態(tài)性能以及振動(dòng)和噪聲也在很大程度上取決于各個(gè)接觸界面的剛度和界面阻尼特性^[2]。從是否滑動(dòng)來看，界面可分為二類，即固定界面和滑動(dòng)界面。滑動(dòng)界面是指相互連接的2個(gè)零部件之間在工作狀態(tài)時(shí)存在宏觀相對(duì)滑動(dòng)的界面。本文討論2個(gè)零部件之間的接觸，故滑動(dòng)接觸界面簡(jiǎn)稱滑動(dòng)界面。長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)此進(jìn)行了許多研究工作。

(1) 固定界面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析。張學(xué)良等基于粗糙表面接觸分形理論，*提出了界面法向接觸剛度分形模型^[3]和切向接觸剛度分形模型^[4]，通過數(shù)字仿真研究發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)的增大及特征長(zhǎng)度的減小都會(huì)引起法向接觸剛度、切向接觸剛度的增大。在把分形理論如何適當(dāng)運(yùn)用于機(jī)械裝備方面張學(xué)良是。田紅亮等>^7]將赫茲接觸與分形理論有機(jī)地起來，提出了改進(jìn)的法向接觸剛度分形模型，此外還結(jié)合分形接觸與有限元思想，提出虛擬材料法建立了加工中心固定界面的模型。MAO等^[8]考慮界面自由度耦合，聯(lián)合動(dòng)力學(xué)參數(shù)與實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)函數(shù)，辨識(shí)了栓接界面動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。Hertz接觸模型是在以下3個(gè)假設(shè)條件下得到的：①兩接觸表面非同曲；②接近接觸區(qū)時(shí)，每個(gè)固體都視為半空間彈性體；③表面無摩擦。材料在加工和使用過程中，總要受到外力作用。材料受外力作用時(shí)所表現(xiàn)的性能稱為力學(xué)性能，如強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性及疲勞強(qiáng)度等。材料在外力作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形，不能夠恢復(fù)的變形稱為塑性變形。微凸體變形包括彈性變形與塑性變形，因此根據(jù)Hertz接觸模型的第2個(gè)假設(shè)，Hertz接觸模型沒有考慮塑性變形，但Hertz接觸模型的基本彈性方程依然適用于實(shí)際工程。根據(jù)Hertz接觸模型的第3個(gè)假設(shè)，Hertz接觸模型沒有考慮摩擦。上述文獻(xiàn)存在一個(gè)共性瑕疵：皆以赫茲彈性理論為基礎(chǔ)，由于大多數(shù)的物體的表面是加工制造而成，由于加工方法的不同，物體表面或多或少都會(huì)產(chǎn)生表面公差、

波紋度和粗糙度，因此2個(gè)物體接觸后所形成的界面不可能是光滑的，赫茲彈性理論局限于無摩擦界面。摩擦接觸問題的研究一直是科研人員與工程師們感興趣的研究領(lǐng)域，且人們主要使用了數(shù)值計(jì)算方法中的有限元法和邊界元法進(jìn)行研究。然而由于有摩擦界面問題的復(fù)雜性，使得此問題至今仍未得到很好的解決。

(2) 滑動(dòng)界面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析。CHLEBUS等^[9]用界面特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫及一組變橫截面桿單元模擬界面的法向和切向特征，利用商業(yè)有限元軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模，并對(duì)加工中心導(dǎo)軌界面進(jìn)行有限元建模與特性分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)誤差在15%以內(nèi)。MI等^[1°^]在對(duì)加工中心導(dǎo)軌部件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種將模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析模型相集成的導(dǎo)軌結(jié)合部動(dòng)力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化識(shí)別方法。WU等^[11~^]對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的建模采用有限元法，將導(dǎo)軌同滑塊之間的連接等效為若干彈簧-阻尼單元。OHTA等^[13_^15]在考慮導(dǎo)軌同滑塊連接的具體結(jié)構(gòu)形式，每一個(gè)滾珠都用一個(gè)線性彈簧單元來模擬，其在建模方式上與宏觀建模方式相比有了一定程度的進(jìn)步，其建模方式相當(dāng)于將滾珠同滑塊之間的連接視為點(diǎn)-點(diǎn)接觸，而實(shí)際滾珠同凹槽之間是一種面-面接觸。毛寬民等^[16]根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副滑動(dòng)界面的柔度系數(shù)，推導(dǎo)出界面單元?jiǎng)偠染仃嚒Ａ硗饷珜捗竦?sup>[17]考慮滾珠直線導(dǎo)軌的波紋度，當(dāng)角位，?和艮值很小時(shí)，假設(shè)cos& «見，cos0_v « 6^ , cos0__ « (正確表達(dá)式應(yīng)為 cos0_x «1，COS' ，COS& »1)推導(dǎo)滾珠與滑塊接觸點(diǎn)處曲率中心位置向量的變換矩陣，進(jìn)而獲得其位移與頻譜。只有以面-面接觸的建模方法來描述滾珠同溝槽的接觸行為，才能更加精準(zhǔn)地創(chuàng)建直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的力學(xué)模型。但是由于計(jì)算的復(fù)雜性，目前*考慮滾珠面-面接觸形式來模擬導(dǎo)軌的動(dòng)、靜力學(xué)特性的研究并不多見。目前滑動(dòng)界面基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，沒文本框: (2)文本框: (3)文本框: 7C有形成一個(gè)團(tuán)體性的數(shù)據(jù)庫，只存在于部分研究機(jī)構(gòu)，并且其適用范圍還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，工程上還沒一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)滑動(dòng)試驗(yàn)樣件，用于第三方來檢驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有效性。同時(shí)如何將滑動(dòng)界面的非線性動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型耦合到結(jié)構(gòu)件的有限元模型中，預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證工程實(shí)際中整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，是目前面臨的重要難題。