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梯度非均匀材料的表面接触力学特性分析

梯度非均匀材料作为一种新型材料，用作表面涂层或界面过渡层可有效抑制表面接触裂纹的产生，从而提高表面抗磨损性能和界面粘结性能。然而，目前的研究大都假设材料性质沿着厚度方向呈现一定的梯度变化规律，朝向其他方向梯度变化的材料表面接触性质如何？梯度朝向导致的摩擦系数变化如何影响接触力学性能？在实际应用中，非均匀的建筑结构基底、咀嚼过程中的牙齿等都不可避免地涉及到该种类型的梯度变化。受此启发，本文建立了刚性压头与任意朝向梯度材料表面接触的理论模型，通过积分变换和数值求解，得到了接触区的应力分布和相应的应力强度因子等信息。结果发现：该广义模型可有效地退化到两类经典解，并能预测保持平稳滑动所需的外加弯矩的大小，通过调控材料参数可有效地抑制接触引起的破坏。该结果将为梯度材料及功能器件的表界面设计和应用提供一定理论指导。