弹性力学赫兹公式推导

弹性力学赫兹公式推导

赫兹应力公式的推导基于弹性力学和几何变形分析,核心是通过假设简化问题并建立接触压力与几何参数、材料属性的关系,最终得出点接触和线接触的应力分布公式。

核心假设

接触体为完全弹性材料(服从胡克定律);

接触区域变形远小于物体尺寸(小变形假设);

表面光滑无摩擦,接触区域几何对称(呈圆形或椭圆形)。

几何参数定义设两球体半径为$R_1$和$R_2$,有效曲率半径$R$满足:$$frac{1}{R} = frac{1}{R_1} + frac{1}{R_2}$$接触区域半径$a$与载荷$P$、等效弹性模量$E^$的关系为:$$a}$$其中等效弹性模量$E^$定义为:$$frac{1}{E2}{E_1} + frac{1 - nu_2^2}{E_2}$$($nu_1, nu_2$为泊松比,$E_1, E_2$为弹性模量)。

压力分布与最大应力接触区域内压力分布呈抛物线规律,最大压力$sigma_{max}$位于接触中心:$$sigma_{max} = frac{3P}{2pi a^2}$$将$a^3$的表达式代入,消去$a$后得到经典赫兹应力公式:$$sigma_{max} = frac{3}{2pi} left( frac{4E{1/3} P^{1/3}$$该公式表明,最大接触应力与载荷的1/3次方成正比,与曲率半径和等效弹性模量的组合参数相关

公式形式线接触的赫兹公式为:$$sigma_H = sqrt{frac{1}{pi B} cdot frac{P_1P_2}{P_1+P_2} cdot left( frac{1-nu_12}{E_2} right) cdot P}$$其中$B$为初始接触长度,$P_1$和$P_2$为两零件初始接触线处的曲率半径。

关键差异

线接触的应力分布与接触长度$B$和曲率半径的组合$frac{P_1P_2}{P_1+P_2}$相关;

公式中直接包含总压力$P$的平方根项,反映线接触下应力随载荷增长更缓慢的特性。

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