摘要：机械结构的预应力坎合连接的出现很好的解决了重型机械或者是超大型机械的加工、制造、装配和运输的难题。本文将对预应力坎合链接的的原理从仿生学和接触力学的角度进行解释，对现在坎合连接在重型机械中的应用进行阐述。
关键词：接卸结构；预应力；坎合连接
随着我国当前社会经济的不断发展，对一些超大型机械设备的需求量也越来越大，这些机械设备的零件不仅体型巨大同时，其重量也是不可小觑，对这类超大型机械设备零件的制造是我国迈入工业大国行列的重要标志，是我国的核心竞争力的一种体现。而在使用传统整体制造的方法进行设计时，最终得到的设备零件，其质量得不到保证，同时在成本上也是让人难以接受。因此如何实现对整体机械设备的剖分和组合以及在对机械设备剖分后的连接问题，是我们必须要解决的核心问题。
利用清华大学颜永年教授提出的预应力坎合连接法来解决这一问题有着很好的效果，本文将对这以技术理念进行阐述，希望能对今后的实际运用有所帮助。
1.什么是坎合连接
通过与固态物体表面的某一尺度结构进行直接接触，所产生的机械阻挡以及伴随的高接触应力，会引起同尺度接触双方的接触表面局部区域出现一定理化性态变化，从而形成多尺度机械阻挡和粘着效应，进而产生抗错移力，这一现象就是坎合连接。坎合连接现象其实在我们的生活中十分的见，例如日常生活中较为常见的植物：爬墙虎，其就是利用此特性牢牢将自己吸附在墙上或者是其它地方，再例如我们常见的动物壁虎也是如此，在壁虎的脚爪地步分布有200万根柔韧性极强的绒毛，这些绒毛在在壁虎爬墙的过程中与墙面形成互锁，壁虎正是利用这种连接力在前面上自由的行走。
在我们的实际运用中我们也是离不开这种连接力例如我们常用的尼龙搭扣也是根据遮掩的原理进行设计。通过计算的方式我们可以更加准确的发现：接触点的应力要远大于工程中的应力和与弹性模量的比值。我们假设刺针和纤毛的接触的半径为0.001cm，质量为1g，刺针的弹性模量为2.1×104kg/cm2，根据公式σ0=3m/2π[2E/3（1-μ2）mR]2/3（μ为泊松比：泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数）在根据公式σ0/E=13.8%。
2.机械预应力坎合连接
在机械上使用坎合连接的方式并不是一蹴而就的，要想在重型机械中实现坎合连接，就需首先在两个零件的接触区域形成应力，由于材料不通过变形，是无法形成两级尺度结构机械阻挡效应以及部分粘着效应，进而也就不能够产生很强大的抗错移能力。因此在整个机械加工过程中，通常会在机械表面加上一层氧化层或者是覆盖一层薄膜，所以要想使界面的应力达到最大就必须对这层氧化层和薄膜进行护理，保证材料的局部出现塑性变形，从而形成应力和粘着效应，以达到产生抗错移力的目的。
3.机械结构预应力坎合连接的原理
机械机构预应力坎合连接的原理我们可以从两个方面进行观察，一个是仿生学方面；一个是接触力学方面
3.1仿生学原理
我们上面有提到我们日常生活着中的壁虎和爬墙虎都是利用了这样的原理进行生存和生活，这些植物和生物通过自身或者是转自或者是躯干上携带的一些极细小的绒毛或者是钩子，通过这细小的绒毛或者是爪子与墙面或者与其它附着物之间形成一种互锁，从而在自己和附着物之间形成一种吸附力，让生物能够自由的在这些光滑或者是其他难以生存的地方生活下去。
其实如果我们将这些动植物与附着物之间的区域放到显微镜下我们能够发现这些互锁结构就像是一座座凸起的山峰一样相互的闭合在一起，这就是一种多峰互锁结构，这种互锁结构的产生难以控制有可能是在主体植物与附着物接触之前就已经产生，也有可能实在两者附着之后才出现的这样的现象。对于这种结构我们研究发现，她的结构尺度很小而且这种结构的适应性很强能够随着环境的变化进行相应的改变，同时在垂直的接触面上和平行的接触面上都会出现坎合。
3.2接触力学原理
多峰坎合的接触市一中符合的状态，是弹性变形和塑性变形的结合。我们现在对圆柱峰型进行研究。假设在一定的负载P下将一个半径为R的圆柱压入大平板中（压入不做限制），我们可以得到长方形区域面积为2bL，根据公式b=4PR/πL[（1-μ2）/E1+（1-μ2）/E2]，我们可以得出接触区域的宽度（E1和E2圆柱和平板的弹性模量，μ为泊松比：泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数）。根据计算后发现圆柱与平板的接触并不是均匀分布的而是形成一个椭圆状。在根据公式σmax=（P/πLR）×[1/（（1-μ2）/E1+（（1-μ2）/E2））]我们可以发现多峰坎合结构中要想将抗错移能力提高必须要考虑到圆柱压入平板的塑性变形深度和平板的康健系数。
4.机械设计中坎合连接的方式
在机械设计中使用这样的技术我们首先要考虑到3点，第一压预应力场，第二是坎合表面的整体形貌，以及第三就是连个物体之间的过渡层。机械中的多峰坎合结构我们可以归纳为以下几种方式，第一直接加工多峰坎合结构这种方法实在两个接触面都进行多峰结构的设计然后让两个表面相互嵌入，但是这种结构的设计相对比较繁琐，加工设计的精度要求很高而且这种结构的适应性十分差几乎没有。第二种是压印氏这种结构与第一种结构方式相比他只需要在一个表面上进行多峰设计然后在预应力场的作用下完成相互之间的嵌合，这种方法能够有效的解决精度不够和适应性的问题，但是他对材料的要求也相对较高需要材料都是相同，这就使得多峰和平面会同时出现塑性变形，从而导致多峰被压塌。第三种是过渡板氏这种方式应用帮助解决了由于压入深度不够而导致的坎合能力下降的问题，这种方法能够有效的解决两个表面之间的相互嵌入问题，同时在材料的选择上也不需要多麻烦。
5.结语
机械结构预应力坎合连接技术将是我国未来工业设备制造和组装的研究方向，是我国走向工业大国的重要保障。
参考文献：
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[2]谢格尔M，戈尔博S.微纳米生物摩擦学.[M].北京：机械工业出版社，2004
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