不锈钢_铜基粉末冶金材料载流摩擦耦合温度场模拟
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[ 3-4] [ 2] [ 1]
度可达 250~ 600 , 随着电流的增加 , 温度以阶梯 方式升高。高温导致接触表面物理状态发生变化 , 出现了塑性变形, 高温还会使得液体润滑剂熔化或 蒸发而干枯。因此 , D. H. H e 建议在实际工况中使 用具有自润滑功能的摩擦副。 载流摩擦磨损中, 摩擦热在影响摩擦副体温升 的主要热源中所占比例较低, 而电流引起的边界热 流量 ( 如: 电弧热和接触电阻热 ) 所占比例很高。因 而与无电流条件下的摩擦磨损机制相比, 受流摩擦 磨损中的电流作用是影响其 磨损机制的极重 要因 素。在其它试验参数相同的条件下 , 受流磨损量远 高于常规磨损量。目前国内外对于这方面的研究报 道相对较少, 特别是载流摩擦磨损中电弧热和接触 电阻热的数值分析方面的研究就更少。 本文以地铁受流的钢铝复合导电轨 ( 表面覆层
第 29卷第 2 期 V o l 29 , No 2
西 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journa l o f X ihua Un iv ersity N atural Sc ie nce
2010年 5月 M ay. 2010
文章编号 : 1673 -159X ( 2010) 03 -0009-04
式中: R c 为接触电阻 ; R c1、 R c2分别 为两接触面 的收缩电阻 ; R f 为膜电阻;
1
为实际接触面的半径 ; 为单位面积
、 2 分别为两种接触材料的电阻率;
的表面膜系数。 在试验过程中, 忽略两摩擦副间的表面膜电阻 , 则 R c = R c1 + R c 2 = 度 q r 的公式如下: I Rc 2 (W /m ) ( 4) Ac 式中: I 为实验电流; A c 为总的电接触面积。 qr = 2 2 4 总电接触面积计算 实际接触面积在一定尺寸范围内, 流经该面的 电流在接触点处收缩。实际计算电接触面积的公式 [ 12] 如下 : p 2 (m ) ( 5) nH 式中: p 为接触压力; A 1 为单一接触点的面积; n A1 = 为 A 1 接触点的数目; 为弹性变形的修正系数 ; H 为 M eyer硬度。 假设实际单个电接触点的 面积为圆形, 并取 为 1 , 则可以 计算出单 个接触 点的半径 , 由公式 ( 3) 和公式 ( 4) 计算出 qr。 2 2 5 边界条件 下试样约束所有的自由度, 上试样上表面施加 压力载荷, 模型初始温度为室温 T0 = 20 , 试样接 触面的边界条件为: T -k = qf + qr r 其余表面边界条件为 : T -k = (T-T 0 ) r
密度 / ( kg m - 3 ) 4900 7930 2700 比热容 / ( J kg- 1 4900 502 902
- 1
表 1 试样材料性能 材料参数 铜基粉末冶金 不锈钢 铝 导热系数 / ) (W m- 1 12 6 12 1 238 ) 泊松比 ( 0 3 0 3 0 3 热膨胀系数 / 10- 6 16 2 16 23
Si m ulation of Coupled Temperature F ield betw een Stainless Steel and Copper B ased Sintered A lloy
JIANG H ui ping, DONG L in
( Schoo l of M echanical Eng ineering and A uto m ation, X ihua University, Chengdu 610039 China ) Abstrac t : Te mperature fie ld mode l for stainless stee l/ copper based sintered alloy under the cond ition o f coupled contact resisto r fr ic tion heat w as estab lished using fin ite e le m ent so ftw are AN SY S. T he m ethod fo r coup ling tw o k inds of hea tw as g iven, the te m pe ra tu re fie ld was calculated , and the m ax i m um coupled te mperatures chang ing w ith d ifferent e lectr ic currents and ve loc ities w ere stud ied. T he results show that unde r the constant displace m ent and nor m a l force , the m ax i m um coupled te m perature increases w ith the inc rease in electr ic current , and decreases w ith the increase in veloc ity . K ey word s : fr iction heat ; contact res istor heat ; te mperature fie ld; fin ite e lement ; AN SY S
弹性模量 /
- 1
为了使问题易于分析处理 , 且不失一般性 , 特作 如下假设: 忽略热量外泄及辐射导致的热量损失; 各 层材料的参数都是各向同性的; 忽略磨屑带走的很 少的热量; 忽略涡流导致的功率损失 ; 试样除了接触 面外面产生对流换热 , 换热系数保持恒定 ; 试样材料 的密度和导热系数随温度的变化比较小 , 可以忽略 不计; 接触点界面摩擦力做功转换的热能及接触电 阻产生的焦耳热全部被摩擦偶件吸收。有限元计算 过程中 , 接触面由摩擦和接触电阻共同产生热 , 这些 热以热流密度的形式分别进入上试样 (受电 靴 ) 和 中、 下试样 ( 钢铝复合轨 )。 根据以上假设, 钢铝复合轨 /受电靴模型的传热
研究了载流摩擦
中的接触温升的变化。铜 /铜碳复合材料之间的温
收稿日期 : 2010-01 -25 基金项目 : 四川省教育厅自然科学青年基金项目 ( 07ZB 084 ); 西华大学人才培养与引进项目 ( R0920203) 。 作者简介 : 蒋慧平 ( 1982 -) , 女, 硕士研究生 , 主要研究方向为机械摩擦与润滑。 通讯作者 : 董 霖 ( 1973 -) , 男, 副教授、 博士 , 主要研究方向为摩擦学 , E-m ai: l D onglin@ m ai. l xhu. edu. cn
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西华大学学报 自然科学版
2010年
为不锈钢, 基体为铝 ) /受电靴 ( 铜基粉末冶金材料 ) 摩擦副为工程研究对象 , 建立载流工况条件下的滑 动摩擦模型。利用 ANSYS 有限元软件模拟载流摩 擦副表面滑动接触过程 , 揭示在摩擦热和接触电阻 热的耦合作用下接触区表现出的温度变化特性 , 并 对影响摩擦副温度变化的主要因素进行分析。
问题可简化为二维问题 , 根据能量守恒原理 , 瞬态传 [ 6] 热可以用公式表达为 : C T + K T = Q ( 1) 式中 : K 为传导矩阵 , 包含导热系数、 对 流系 数以及辐射率和形状系数; C 为比热容矩阵, 包含 系统内能的增加; T 为温度对时间的导数; Q 为 节点热流率 向量, 包含热 生成; T 为 节点温度 向 量。
载流摩擦磨损是指处于耦合场 (电场、 磁场、 温 度场和应力场等 ) 作用下的摩擦副 , 在电流通过条 件下的摩擦学行为。至今国内外已经有不少的试验 研究成果, 特别是高速铁路和特殊工况下受流的工 程场合, 载流 磨损 的研究 得到 广泛 关注。 Nagasa w a 的研究认为载 流磨损材料的磨损率与接触表 面产生的热量密切相关 , 载流条件下摩擦副在摩擦 过程中的热主要来自三个方面 : 电弧热、 摩擦热和电 流产生的热 ; 某个速度下磨损率的最大值取决于摩 擦面接触点因温升而软化的情况, 而发热量又是速 度、 摩擦因数、 压力和离线率的函数。 Zhao 发现载 流条件下摩擦表面在电弧、 电流的影响下温度较高 , 会使摩擦副的材料软化 , 合理的载荷有利于减小各 种热效应, 降低磨损率。 H e 等
- 1
电阻率 / ) ( m) 0 2E-6 0 73E-6 2 9E-8
Pa 3E 9 190E 9 70E 9
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 2 2 摩擦热流密度计算 在滑动过程中, 摩擦热是以热流密度的形式进 入接触摩擦副的。对于面 面摩擦副来说 , 两个物体 摩擦产生的总热流率由下式计算 qf = FHTG v (J /s )
1 基本假设及传热方程
基于 UGS NX4 0建立如图 1( a)所示载流滑动 摩擦接触模型 。试样通过电极接 入电流 I, 并同 时受法向载荷 Fn, 其相对滑动速度为 V, 工况条件 为干摩擦。
[ 5]
2 有限元建模分析
2 1 有限元模型及网络划分 为了便于分析建模时采用平面问题求解, 取上 中下试样的轴向正中剖面, 按实际尺寸建立模型如 图 1( a)。上试样几何参数为 : 长 270mm, 宽 27mm, 材料为铜基粉末冶金材料; 中间试样 : 长 540 mm 宽 6mm, 材料为 1Cr18N i9 不锈钢; 下试样 : 长 540mm, 宽 100mm, 材料为铝。中间试样 和下试样固联 ( 表 示钢铝复合轨模型 )。该剖面能清楚表达钢铝复合
图 1 复合轨与受电靴模型及有限元网格划分
轨 /受 电靴接触的 温度场分布和 应力分布等情况。 上中 下试样都 采用 ANSYS 中的热力 耦合 P lane13 [ 7] 单元 。接触面采用热-结构耦合场的二维面-面接 触单元。设定中间试样上表面为接触面, 采用接触 单元 CONTACT 172 , 上试样下表面为目标面, 采用接 触单元 CONTACT169 。为使模型的计算收敛并提高 解的精度 , 对靠近接触面的特定区域细分网格, 并控 制网格密度, 划分后的模型如图 1( b) 所示。 2 2 材料属性及边界条件 2 2 1 材料属性 上试样和中试样之间的摩擦系数为 0 23 , 试验 中铜基粉末冶金材料和不锈钢及铝均采用双线性等 向强化材料本构模型。表 1 列 出了三种材料 的性 [ 8-9] 能 。
不锈钢 /铜基粉末冶金材料载流摩擦耦合温度场模拟
蒋慧平, 董 霖
( 西华大学机械工程与自动化学院 , 四川 成都 610039)
摘
要 : 使用 AN SY S 有限元软件建立不锈钢 /铜基 粉末冶金材料在接触电阻热 和摩擦热耦 合作用下 的温度场
模型 , 给出了两种热量耦合的方法 , 计算了 模型的温度场 , 研究了模型在不同电流和 速度条件下 的耦合最 高温度变 化。结果显示 : 在相同位移和法向压力条件下 , 耦合的最高温度随电流的增大而增大 , 随速度的 增大而减小。 关键词 : 摩擦热 ; 接触电阻热 ; 温度场 ; 有限元 ; ANSY S 中图分类号 : TH 117 1 文献标识码 : A
[ 10]
率 (在本试验中与滑动速度 V 的大小相等 ) 。 2 2 3 接触电阻热计算 接触电阻的物理本质就是电流通过导电斑点产 生收缩效应引起的金属电阻增量 ( 即收缩电阻 ) 与 ( 2) 表面膜电阻之和。在本实验中两接触元件的材料不 同, 又有 表 面膜 存 在, 则 接 触 电阻 由 三个 分 量 组 [ 11-12] 成 :
:
式中: FHTG 为摩擦生热的能量转换因子 ( 默认 为 1) ; 为等效摩擦应力; v 为两物体的相对滑动速
第 3期
蒋慧平 等 : 不锈钢 /铜基粉末冶金材料载流摩擦耦合温度场模拟
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R c = R c1 + R c2 + R f =
1
4
+
2
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(
)
( 3)
* DI M, pre , TABLE, 2 , 1 , 1, ti me * SET, PRE( 1 , 0, 1) , 0 * SET, PRE( 1 , 1, 1) , 1 . 9e5 * SET, PRE( 2 , 0, 1) , 10 * SET, PRE( 2 , 1, 1) , 1 . 9e5 图 2 是当 Fn = 150N , V = 50km /h 时纯机械摩 擦 温 度 变 化 图, 由 图 可 知 摩 擦 时 最 高 温 度 为 20 481 , 最高温升为 0 481 。
度可达 250~ 600 , 随着电流的增加 , 温度以阶梯 方式升高。高温导致接触表面物理状态发生变化 , 出现了塑性变形, 高温还会使得液体润滑剂熔化或 蒸发而干枯。因此 , D. H. H e 建议在实际工况中使 用具有自润滑功能的摩擦副。 载流摩擦磨损中, 摩擦热在影响摩擦副体温升 的主要热源中所占比例较低, 而电流引起的边界热 流量 ( 如: 电弧热和接触电阻热 ) 所占比例很高。因 而与无电流条件下的摩擦磨损机制相比, 受流摩擦 磨损中的电流作用是影响其 磨损机制的极重 要因 素。在其它试验参数相同的条件下 , 受流磨损量远 高于常规磨损量。目前国内外对于这方面的研究报 道相对较少, 特别是载流摩擦磨损中电弧热和接触 电阻热的数值分析方面的研究就更少。 本文以地铁受流的钢铝复合导电轨 ( 表面覆层
第 29卷第 2 期 V o l 29 , No 2
西 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journa l o f X ihua Un iv ersity N atural Sc ie nce
2010年 5月 M ay. 2010
文章编号 : 1673 -159X ( 2010) 03 -0009-04
式中: R c 为接触电阻 ; R c1、 R c2分别 为两接触面 的收缩电阻 ; R f 为膜电阻;
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为实际接触面的半径 ; 为单位面积
、 2 分别为两种接触材料的电阻率;
的表面膜系数。 在试验过程中, 忽略两摩擦副间的表面膜电阻 , 则 R c = R c1 + R c 2 = 度 q r 的公式如下: I Rc 2 (W /m ) ( 4) Ac 式中: I 为实验电流; A c 为总的电接触面积。 qr = 2 2 4 总电接触面积计算 实际接触面积在一定尺寸范围内, 流经该面的 电流在接触点处收缩。实际计算电接触面积的公式 [ 12] 如下 : p 2 (m ) ( 5) nH 式中: p 为接触压力; A 1 为单一接触点的面积; n A1 = 为 A 1 接触点的数目; 为弹性变形的修正系数 ; H 为 M eyer硬度。 假设实际单个电接触点的 面积为圆形, 并取 为 1 , 则可以 计算出单 个接触 点的半径 , 由公式 ( 3) 和公式 ( 4) 计算出 qr。 2 2 5 边界条件 下试样约束所有的自由度, 上试样上表面施加 压力载荷, 模型初始温度为室温 T0 = 20 , 试样接 触面的边界条件为: T -k = qf + qr r 其余表面边界条件为 : T -k = (T-T 0 ) r
密度 / ( kg m - 3 ) 4900 7930 2700 比热容 / ( J kg- 1 4900 502 902
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表 1 试样材料性能 材料参数 铜基粉末冶金 不锈钢 铝 导热系数 / ) (W m- 1 12 6 12 1 238 ) 泊松比 ( 0 3 0 3 0 3 热膨胀系数 / 10- 6 16 2 16 23
Si m ulation of Coupled Temperature F ield betw een Stainless Steel and Copper B ased Sintered A lloy
JIANG H ui ping, DONG L in
( Schoo l of M echanical Eng ineering and A uto m ation, X ihua University, Chengdu 610039 China ) Abstrac t : Te mperature fie ld mode l for stainless stee l/ copper based sintered alloy under the cond ition o f coupled contact resisto r fr ic tion heat w as estab lished using fin ite e le m ent so ftw are AN SY S. T he m ethod fo r coup ling tw o k inds of hea tw as g iven, the te m pe ra tu re fie ld was calculated , and the m ax i m um coupled te mperatures chang ing w ith d ifferent e lectr ic currents and ve loc ities w ere stud ied. T he results show that unde r the constant displace m ent and nor m a l force , the m ax i m um coupled te m perature increases w ith the inc rease in electr ic current , and decreases w ith the increase in veloc ity . K ey word s : fr iction heat ; contact res istor heat ; te mperature fie ld; fin ite e lement ; AN SY S
弹性模量 /
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为了使问题易于分析处理 , 且不失一般性 , 特作 如下假设: 忽略热量外泄及辐射导致的热量损失; 各 层材料的参数都是各向同性的; 忽略磨屑带走的很 少的热量; 忽略涡流导致的功率损失 ; 试样除了接触 面外面产生对流换热 , 换热系数保持恒定 ; 试样材料 的密度和导热系数随温度的变化比较小 , 可以忽略 不计; 接触点界面摩擦力做功转换的热能及接触电 阻产生的焦耳热全部被摩擦偶件吸收。有限元计算 过程中 , 接触面由摩擦和接触电阻共同产生热 , 这些 热以热流密度的形式分别进入上试样 (受电 靴 ) 和 中、 下试样 ( 钢铝复合轨 )。 根据以上假设, 钢铝复合轨 /受电靴模型的传热
研究了载流摩擦
中的接触温升的变化。铜 /铜碳复合材料之间的温
收稿日期 : 2010-01 -25 基金项目 : 四川省教育厅自然科学青年基金项目 ( 07ZB 084 ); 西华大学人才培养与引进项目 ( R0920203) 。 作者简介 : 蒋慧平 ( 1982 -) , 女, 硕士研究生 , 主要研究方向为机械摩擦与润滑。 通讯作者 : 董 霖 ( 1973 -) , 男, 副教授、 博士 , 主要研究方向为摩擦学 , E-m ai: l D onglin@ m ai. l xhu. edu. cn
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西华大学学报 自然科学版
2010年
为不锈钢, 基体为铝 ) /受电靴 ( 铜基粉末冶金材料 ) 摩擦副为工程研究对象 , 建立载流工况条件下的滑 动摩擦模型。利用 ANSYS 有限元软件模拟载流摩 擦副表面滑动接触过程 , 揭示在摩擦热和接触电阻 热的耦合作用下接触区表现出的温度变化特性 , 并 对影响摩擦副温度变化的主要因素进行分析。
问题可简化为二维问题 , 根据能量守恒原理 , 瞬态传 [ 6] 热可以用公式表达为 : C T + K T = Q ( 1) 式中 : K 为传导矩阵 , 包含导热系数、 对 流系 数以及辐射率和形状系数; C 为比热容矩阵, 包含 系统内能的增加; T 为温度对时间的导数; Q 为 节点热流率 向量, 包含热 生成; T 为 节点温度 向 量。
载流摩擦磨损是指处于耦合场 (电场、 磁场、 温 度场和应力场等 ) 作用下的摩擦副 , 在电流通过条 件下的摩擦学行为。至今国内外已经有不少的试验 研究成果, 特别是高速铁路和特殊工况下受流的工 程场合, 载流 磨损 的研究 得到 广泛 关注。 Nagasa w a 的研究认为载 流磨损材料的磨损率与接触表 面产生的热量密切相关 , 载流条件下摩擦副在摩擦 过程中的热主要来自三个方面 : 电弧热、 摩擦热和电 流产生的热 ; 某个速度下磨损率的最大值取决于摩 擦面接触点因温升而软化的情况, 而发热量又是速 度、 摩擦因数、 压力和离线率的函数。 Zhao 发现载 流条件下摩擦表面在电弧、 电流的影响下温度较高 , 会使摩擦副的材料软化 , 合理的载荷有利于减小各 种热效应, 降低磨损率。 H e 等
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电阻率 / ) ( m) 0 2E-6 0 73E-6 2 9E-8
Pa 3E 9 190E 9 70E 9
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 2 2 摩擦热流密度计算 在滑动过程中, 摩擦热是以热流密度的形式进 入接触摩擦副的。对于面 面摩擦副来说 , 两个物体 摩擦产生的总热流率由下式计算 qf = FHTG v (J /s )
1 基本假设及传热方程
基于 UGS NX4 0建立如图 1( a)所示载流滑动 摩擦接触模型 。试样通过电极接 入电流 I, 并同 时受法向载荷 Fn, 其相对滑动速度为 V, 工况条件 为干摩擦。
[ 5]
2 有限元建模分析
2 1 有限元模型及网络划分 为了便于分析建模时采用平面问题求解, 取上 中下试样的轴向正中剖面, 按实际尺寸建立模型如 图 1( a)。上试样几何参数为 : 长 270mm, 宽 27mm, 材料为铜基粉末冶金材料; 中间试样 : 长 540 mm 宽 6mm, 材料为 1Cr18N i9 不锈钢; 下试样 : 长 540mm, 宽 100mm, 材料为铝。中间试样 和下试样固联 ( 表 示钢铝复合轨模型 )。该剖面能清楚表达钢铝复合
图 1 复合轨与受电靴模型及有限元网格划分
轨 /受 电靴接触的 温度场分布和 应力分布等情况。 上中 下试样都 采用 ANSYS 中的热力 耦合 P lane13 [ 7] 单元 。接触面采用热-结构耦合场的二维面-面接 触单元。设定中间试样上表面为接触面, 采用接触 单元 CONTACT 172 , 上试样下表面为目标面, 采用接 触单元 CONTACT169 。为使模型的计算收敛并提高 解的精度 , 对靠近接触面的特定区域细分网格, 并控 制网格密度, 划分后的模型如图 1( b) 所示。 2 2 材料属性及边界条件 2 2 1 材料属性 上试样和中试样之间的摩擦系数为 0 23 , 试验 中铜基粉末冶金材料和不锈钢及铝均采用双线性等 向强化材料本构模型。表 1 列 出了三种材料 的性 [ 8-9] 能 。
不锈钢 /铜基粉末冶金材料载流摩擦耦合温度场模拟
蒋慧平, 董 霖
( 西华大学机械工程与自动化学院 , 四川 成都 610039)
摘
要 : 使用 AN SY S 有限元软件建立不锈钢 /铜基 粉末冶金材料在接触电阻热 和摩擦热耦 合作用下 的温度场
模型 , 给出了两种热量耦合的方法 , 计算了 模型的温度场 , 研究了模型在不同电流和 速度条件下 的耦合最 高温度变 化。结果显示 : 在相同位移和法向压力条件下 , 耦合的最高温度随电流的增大而增大 , 随速度的 增大而减小。 关键词 : 摩擦热 ; 接触电阻热 ; 温度场 ; 有限元 ; ANSY S 中图分类号 : TH 117 1 文献标识码 : A
[ 10]
率 (在本试验中与滑动速度 V 的大小相等 ) 。 2 2 3 接触电阻热计算 接触电阻的物理本质就是电流通过导电斑点产 生收缩效应引起的金属电阻增量 ( 即收缩电阻 ) 与 ( 2) 表面膜电阻之和。在本实验中两接触元件的材料不 同, 又有 表 面膜 存 在, 则 接 触 电阻 由 三个 分 量 组 [ 11-12] 成 :
:
式中: FHTG 为摩擦生热的能量转换因子 ( 默认 为 1) ; 为等效摩擦应力; v 为两物体的相对滑动速
第 3期
蒋慧平 等 : 不锈钢 /铜基粉末冶金材料载流摩擦耦合温度场模拟
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R c = R c1 + R c2 + R f =
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* DI M, pre , TABLE, 2 , 1 , 1, ti me * SET, PRE( 1 , 0, 1) , 0 * SET, PRE( 1 , 1, 1) , 1 . 9e5 * SET, PRE( 2 , 0, 1) , 10 * SET, PRE( 2 , 1, 1) , 1 . 9e5 图 2 是当 Fn = 150N , V = 50km /h 时纯机械摩 擦 温 度 变 化 图, 由 图 可 知 摩 擦 时 最 高 温 度 为 20 481 , 最高温升为 0 481 。