有限元分析不同接触 方式下和不同摩擦系数下的微动磨损外文翻译资料

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有限元分析不同接触

方式下和不同摩擦系数下的微动磨损

摘要：磨损磨损是由于两个物体之间的微小相对位移而导致的接触表面的材料损坏。它引起一些意想不到的结果，例如紧固件的松动或者应该相对于彼此移动的部件的粘着。由于微动磨损的微动作在实验中无法测量，因此有限元法（FEM）被广泛用于研究磨损磨损过程中接触变量和磨损痕迹的演变过程。在大多数疲劳磨损有限元模拟中，假设摩擦系数（CoF）为常数，以简化模型。然而，如在实验中所测量的那样，CoF的演变与循环的磨损次数有关，特别是在进入阶段。在这项研究中，可变CoF的效应被认为是微滑磨损和滑动磨损的部分滑动条件。计算用于恒定和可变CoF情况的FEM模型预测的磨损痕量和磨损量。结果表明，在滑动条件下，无论是否使用可变CoF，在磨损周期的稳态阶段结束时对磨损体积影响不大。然而，当考虑到滑动条件的部分滑移或进入阶段时，具有可变CoF的FE模型实现了更接近实验结果的预测。

关键字：微动磨损；摩擦系数；有限元法

1. 引言

微动是接触表面之间的小移动。根据不同的负载条件，即接触体中施加的法向负载的组合和它们之间的切向位移，可能会导致两个微动状态：部分滑动和总滑动。如果正常负载足够高或振荡位移足够小，则接触中心的点处于棍状状态，而剩余的接触处于滑动状态。这种情况称为部分滑移状态，因为粘接和滑动存在于接触表面。降低正常载荷或增加施加的位移振幅，粘附面积减小直至消失。在这种情况下，整个接触面将彼此滑动，这被称为大滑动状态。磨损磨损，由于ASTM 中的磨损而定义为磨损，发生在部分滑动和大滑动状态。作为材料损坏，微动磨损仍然是工程师设计受到振动或振动的工程部件的挑战，例如髋关节的柄/水泥，涡轮的燕尾关节的刀片/盘等。是因为组分中的接触表面的连续变化，这是在微动磨损实验期间测量的。

因此，有限元法（FEM）被广泛用于预测微动磨损过程，因为它适用于解决边界条件非线性，几何形状和时间积分效应的变化等问题，这些都在磨损磨损模拟中发生。文献中有几个作者已经报道了微动问题的有限元建模。通常，两种磨损模型被广泛用于微动磨损模拟。基于滑动距离，正常载荷和磨损系数计算磨损体积的经典Archard模型被McColl等人最终整合到微动磨损的有限元模型中。能量模型是模拟磨损磨损的另一种磨损模型。该模型基于实验结果，Fouvry于1996年提出，磨损体积与摩擦性能的累积耗散能量呈线性关系。后来，实现了这种能量模型来模拟Ti-6A1-4 V触点的微动磨损表面演化，这是能量模型与FE微动磨损模拟结合的第一次。使用这两种磨损模型中的任何一种，磨损磨损的不同方面被模拟和研究，包括材料的可塑性，碎片效应，微动磨损对微动疲劳的影响和磨损磨损过程下的涂层性能。将Archard模型与能量模型进行比较，可以看出，Archard模型的主要缺点是它不直接考虑CoF对微动磨损过程的影响。相比之下，能量模型是以能量守恒为基础，即摩擦作用的一部分被磨损过程所消耗。磨损磨损过程中CoF的演变明确地涉及微动磨损量的计算，从而有可能通过有限元分析CoF对微动磨损的影响。此外，磨损过程可能包括材料结构转变，化学和物理过程以及碎片行为。能量模型也很方便地解释不同的磨损机理，因此本文用于模拟磨损磨损过程。

为了平衡FE计算的有效性和精度，在一些特征中通常简化了微动磨损的FE模型。常见的假设之一是摩擦系数（CoF）在微动磨损过程中是恒定的。 CoF是系统依赖参数，而不是材料或材料组合的固有属性。它对滑动距离和环境效果敏感，如接触压力和表面质量。 Blau将影响摩擦行为的因素分为：接触几何，流体特性和流量，润滑剂化学，相对运动，施加力，碎片，温度，界限和振动。对于给定的微动对，接触几何的连续演化引起相对运动的变化。同时，在接触表面捕获的碎屑也参与微动磨损。这些因素导致CoF在微动磨损过程中的演变。在部分滑动和滑动滑动条件下，已经观察到这种现象是各种微动对。除了CoF的时间依赖性演化之外，还观察到CoF是在一个微动磨损循环期间位移的函数。然而，这个事实通常存在于涉及铝合金，钛合金或镍合金的微动接触中，而不是用于气缸接触的钢/钢。对于我们在这项工作中使用的材料，发现CoF在一个循环中在钢体或硬质涂层之间的接触时保持恒定。

这项工作的目的是通过考虑时间依赖CoF来改善FE微动磨损模型。 在这项研究中，进行了磨损模拟的钢/钢与气缸在接触配置范围从部分滑移到总滑动，并计算磨损疤痕和磨损量为恒定CoF和可变CoF情况预测。 本文共分4部分; 首先，描述了用于模拟的有限元模型。 然后，考虑到微动制度的类型以及其他摩擦模型的讨论，呈现了恒定CoF和可变CoF的情况之间的比较。 最后得出结论。

1. 有限元模型

2.1几何模型的建立

通过商业FE软件ABAQUS生成用于FE模拟的二维（2D）平面应变圆柱形/接触模型。图1显示了FE模型的几何形状和尺寸。 这些尺寸与文献中给出的相同，因为可以使用实验结果验证预测的磨损痕迹。 选择4节点平面应变元件（CPE4）用于接触区域的网格，焊盘和样品的该区域的网孔尺寸为5mu;mtimes;10mu;m。

表面接触界定对磨损分析非常重要。主从技术用于接触离散化。气缸的底面被定义为主表面，而试样的顶部表面被定义为从表面。通过这种设置，可以容易地提取样品的接触变量以进行磨损计算。具有各向同性摩擦的库仑摩擦定律被定义为切向行为。硬接触被定义为正常行为。 拉格朗日乘数被选为解决接触问题的约束执行，而不是约束方法，以便实现接触面中的确切的相对滑移。

图1 几何模型的基本尺寸

2.2 加载过程

微动磨损FE模型中的加载过程。 第一步是加载步骤：在顶部表面的中点施加恒定的法向载荷P = 185N。 除了垫的垂直运动之外，模型的所有度数自由度都受到约束。 然后，在对下一个移动步骤施加P的相同点施加具有振幅D的水平往复运动位移。 在这些移动步骤中，沿着样本边缘和底部的x和y方向的运动受到约束。 基于总循环次数N和跳跃循环NDelta;计算移动步数。 在完成所有移动步骤后，卸载恒定的正常负载以消除弹性变形并获得微动磨损疤痕。

2.3 在第3000周期内中定义CoF

从得到的图2表明，在CoF稳定之前，在第3000个周期内，它从0.2增加到0.88。该过程称为进入阶段，其中CoF由于表面氧化物膜而在非常低的水平开始，并且由于去除氧化物膜和金属与金属接触的存在而迅速增长。实际上，CoF在微动磨损过程中的演变是对接触面发生的反应。因此，在微动磨损模型中应考虑可变CoF的影响，特别是在磨合阶段的研究中。基于实验观察，通常，CoF与微动磨损循环的演化可分为两个阶段，即初始进入阶段和稳态阶段。在初始运行时间内，CoF低，因为接触表面被氧化物覆盖，并且“自然污染”薄弱化了接触表面之间的粘附。随着微动磨损的进行，CoF逐渐增加，因为这种薄膜的去除以及基材界面的附着力和磨损增加。在跑步时间结束时，达到了碎片产生和排放之间的平衡。之后，CoF在微动磨损循环的稳态阶段保持稳定。

图2 微动磨损试验中CoF的演变，P = 185 N，D = 25mu;m，N = 18000次循环

为了获得CoF与微动磨损循环次数之间的数学关系，图 2是提取出最佳曲线。 图3示出了在第一个2500个循环中的数据点和最佳拟合曲线。 由于最佳实现的目的是实现CoF和循环次数之间最准确的关系，所以Rsup2;的值是唯一考虑的因素。 因此，使用多项式，如等式 （1），在这种情况下，Rsup2; = 0.989

CoF =(minus;1. 784)times;10Nsup2; 0. 000743N 0. 191266 （1）

2500和3000个周期之间的CoF可以用线性关系表示为：

CoF =(minus;4. 71) times; 10N times; 1. 07 （2）

在本研究中，产生了两个FE微动模型：具有恒定值CoF的恒定CoF模型（CoF模型），即0.88，可变CoF模型（VCoF模型），其中对于P = 185N，D =25mu;m，CoF的描述总结在表1中。

基于实验结果，当P = 185N和D =25mu;m时，存在粗滑动状态。 尽管CoF还依赖于施加的位移，即使在给定的相同的法向载荷下，发现CoF与部分滑移条件下的微动循环也类似于图2。 因此，为了了解总滑动和部分滑动状态下CoF的基本效应，在本工作的所有模拟中都使用了与表1相同的CoF定义。

表1 CoF模型中CoF的定义

2.4 磨损模型

选择合适的磨损模型是微动磨损预测的关键步骤。 Archard模型是磨损计算的经典模型，表示为：

（3）

其中磨损体积W是Archard磨损系数K，正常载荷P和滑动距离S的乘积。

在能量模型中，如果实施了库仑摩擦定律，则CoF是耗散能量计算的基本参数。 此外，给定的可变CoF也会影响粘滞状态影响微动磨损的程度。 因此，在部分滑动和滑动滑动方面，研究可变CoF对微动磨损FE模拟的影响是值得的。

值得一提的是，Archard模型仅适用于量化具有稳定摩擦条件的微动对的磨损行为，因为CoF包含在从实验获得的常数K中。 然而，如第2.3节所述，CoF在微动磨损实验中正在发生变化，而明确考虑CoF的磨损模型是必要的。

因此，为了研究CoF在磨损计算中的作用，本文提出的所有FE模拟都使用能量磨损模型。 在该模型中，磨损体积涉及能量磨损系数K和累积耗散能量，其计算公式如下：

（4）

耗散能量Ed是剪切力和滑动距离S的乘积。根据库仑摩擦定律，能量模型产生：

（5）

因此，基于能量概念将CoF直接组合到磨损计算中。

UMESHMOTION是在自适应网格划分过程中定义网格运动约束的用户子程序。 对于微动磨损模拟，应定义两个区域：

1. 由UMESHMOTION中定义的磨损计算直接控制的称为接触节点的接触面节点集合

b）网格移动到某个域的接触域 通过ABAQUS中的算法自适应。

这种布置如图3所示。

接触域

接触节点

图3 ABAQUS微动磨损模型中接触节点和样品的接触区域。

2.5 仿真模拟

本文使用的材料性质与杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3时相似。 总数N为18,000。 跳跃循环技术用于加速磨损磨损计算，这是McColl于2004年第一次提出的，以保持合理的计算时间。 在该技术中，引入跳跃循环因子Delta;N，表示在下一个Delta;N微动磨损循环期间磨损计算的接触变量保持恒定。 该方法已广泛用于FE微动磨损预测研究。为了在初始阶段捕获CoF变化，运行循环NJC1的跳跃循环为100个循环，进入循环NR为3000个循环。 磨损磨损NJC2的剩余过程的跳跃循环为1000次循环。 目前有限元模型中使用的参数列于表2。

表2 FE模型中使用的参数