Experimental and numerical investigation of the normal and tangential contact behavior of rough metallic surfaces

Durch Experimente und numerische Simulationen wird das Normal- und Tangentialkontaktverhalten von rauen metallischen Oberflächen untersucht. Die Steifigkeit und das Mikroschlupfverhalten einer Fügestelle hängt unter anderem von der Belastung, dem Werkstoff und den geometrischen Eigenschaften der Oberfläche ab. Da der Mittelwert und die Varianz der Höhen nicht ausreichend sind, um die Rauheit einer Oberfläche zu beschreiben, werden oft weitere stochastische Parameter eingeführt. Allerdings hängen diese stark von der Messauflösung ab und können nicht als intrinsische Kenngrößen eines Profils betrachtet werden. Deshalb wird die Oberfläche über mehrere Längenskalen durch ein Fraktal beschrieben, dessen Parameter unabhängig von der Messauflösung sind. Eine Möglichkeit, um die typischen Eigenschaften eines Profils zu beschreiben, ist die Verwendung der diskreten Strukturfunktion. Für eine große Reihe von technischen Oberflächen können die gemessenen Strukturfunktionen durch eine Näherungsfunktion mit drei intrinsischen Parametern beschrieben werden: Die Standardabweichung der Höhen, die Transitionslänge und die fraktale Dimension. Um den Einfluss der unterschiedlichen Parameter zu untersuchen und konstitutive Kontaktgesetze zu entwickeln, ist es erforderlich, Oberflächen mit bestimmten Eigenschaften numerisch zu generieren. Der Normal- und Tangentialkontakt der fraktal-regulären Oberflächen werden anschließend mit einem diskretisierten Halbraummodell berechnet. Zusätzlich werden Finite-Element-Modelle mit Formfehlern verwendet, um den Einfluss von welligen und schrägen Oberflächen auf das Kontaktverhalten zu untersuchen. Anhand von Versuchsergebnissen werden die Simulationen verifiziert. Mit einem Normalkontaktprüfstand werden Druck-Annäherungs-Kurven gemessen und mit einem Tangentialkontaktprüfstand wird das Kontaktverhalten durch Tangentiallast-Verschiebungs-Kurven bestimmt. Dabei wird der Einfluss des Werkstoffs und des Oberflächenherstellungsverfahrens untersucht. Während der Tangentialkontaktversuche kann die Normalkraft durch einen Piezoaktor erhöht werden, wodurch die Einspannsituation der vorgespannten Teile nicht verändert wird. Mit einem zweiten Tangentialkontaktprüfstand werden Versuche mit höheren Geschwindigkeiten und niedrigeren Lasten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die plastischen Deformationen aufgrund des Normalkontakts sehr gut durch fraktal-reguläre Oberflächen beschrieben werden können. Im Gegensatz dazu wird die elastische Rückfederung von Formfehlern dominiert. Beim Tangentialkontakt verursachen Formfehler eine starke Abnahme der tangentialen Kontaktsteifigkeit und führen zu einer Verlängerung des Mikroschlupfbereichs. Dagegen kann die Verringerung der Steifigkeit aufgrund der Rauheit vernachlässigt werden. Mit den numerischen und experimentellen Untersuchungen werden die Druck-Abstands-Kurve, die tangentiale Kontaktsteifigkeit, der Mikroschlupf und der Reibkoeffizient von verschiedenen Kontaktpaarungen ermittelt. Die Daten können verwendet werden, um das Kontaktverhalten von Fügestellen mit der Methode der Finiten Elemente zu modellieren.The normal and tangential contact behavior of rough metallic surfaces is investigated in experiments and numerical simulations. In general the stiffness and the microslip behavior of a joint depend on the load, the material, and the geometrical properties of the surface. Since mean value and variance of heights are not sufficient to describe the surface roughness, further stochastic parameters are often introduced. However, these additional stochastic parameters depend strongly on the measurement resolution and cannot be considered as intrinsic properties of the profile. Therefore the surface is described as a fractal over several length scales with parameters which are independent of the measurement resolution. One way to describe the typical features of a profile is the use of a discrete structure function. For a large class of typical surfaces measured structure functions can be approximated by a three-parameter function, employing the standard deviation of heights, the transition length and the fractal dimension. In order to study the influence of the different parameters and to develop constitutive contact laws it is necessary to numerically generate surfaces with specified properties. The normal and tangential contact of the fractal-regular surfaces are calculated with a discretized halfspace model. In addition finite element models with geometrical irregularities are applied to examine the influence of waved and skewed surfaces on the contact behavior. The simulations are tested against experimental data. In a normal contact test setup the pressure-approach relationship is measured and in a tangential contact test setup the contact behavior is determined by tangential load-displacement curves. In these investigations the influence of the material and the surface production process is analyzed. During the tangential contact tests a piezo actuator is used to increase the normal load without changing the clamping condition of the prestressed parts. Tests with higher velocities and smaller loads are performed with a second tangential contact setup. The results are showing that for the normal contact the plastic deformation can be described very well by fractal-regular surfaces. By contrast the elastic spring-back of a joint is dominated by geometrical irregularities. In addition the influence of geometrical irregularities on the tangential contact behavior is even higher. They cause a strong reduction of the tangential contact stiffness and a prolongation of the microslip zone. The decrease of the stiffness due to the roughness can be neglected. By the numerical and experimental investigations the pressure-gap curve, the tangential contact stiffness, the microslip and the friction coefficient of different contact pairs can be identified. They can be used to model the contact behavior of joints with the finite element method