摩擦生热的仿真分析

摩擦生热的仿真分析
韩建伟;鲁后国;李华伟
【摘要】利用摩擦热产生塑形变形进行深孔无屑加工,不仅节省材料,而且可以获得高性能的工件.摩擦热深孔成形的热力分析是该工艺技术的一个关键问题.利用LS-DYNA动力有限元分析软件建立圆柱钻头和球形钻头的滑动摩擦副热结构耦合模型,分别计算了模型的温度场以及热应力场.摩擦过程中,最高温度在接触面外侧,温度从外侧向中心逐渐降低,球形钻头由于受力集中,更符合后期钣金深孔冲压成形要求.通过摩擦生热达到一定温度,为进一步研究摩擦热加工深孔工艺奠定了基础.
【期刊名称】《汽车工程师》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】3页(P30-32)
【关键词】摩擦热;深孔成形;有限元模型;温度;应力;仿真;球形钻头;圆柱钻头
【作者】韩建伟;鲁后国;李华伟
【作者单位】江淮汽车技术中心;江淮汽车技术中心;江淮汽车技术中心
【正文语种】中文
摩擦热成型加工技术中一个关键问题就是力热分析。

各国学者对摩擦副接触面温度进行了大量的研究工作[1-2]。

由于接触表面的最高温度是在接触处瞬时形成的闪现温升，而且接触体在运动，因此，要精确地测出闪温十分困难。

摩擦热与热变形
的耦合过程中，热、力和变形的相互关系十分复杂，目前选择二维轴对称有限元模型解决这种问题[3]，但对实际温度和应力的变化情况计算误差很大[4]。

文章通过动力学仿真软件LS-DYAN建立三维有限元模型并进行动力学仿真分析，研究在摩擦热和力场的耦合作用下，接触区温度变化及应力变化特性。

1 有限元基础
1.1 有限元热分析假设条件
为了仿真问题易于处理，且不失去其意义，做6个假设：1）忽略泄漏所带走的摩擦热；2）忽略因热辐射导致的热损失；3）认为各层材料的参数都是各向同性的；4）与整体摩擦热相比，磨屑带走的热量很小，可忽略不计；5）对流换热产生于
试样的四周，换热系数与温度及试样的空间位置无关；6）上下试样材料的体积质量随温度的变化比较小，忽略体积质量随温度的变化。

文中的热量主要是热传导，可以用公式表达为：
式中：K——导热系数、对流系数以及辐射率和形状系数；
C——比热容，J/（kg·℃）；
——温度对时间的导数；
Q——旋转摩擦产生的热量，J；
T——节点温度，℃。

在具体的传热过程中，材料的性能和边界条件等会随温度变化，属于非线性问题。

1.2 有限元模型的建立
1.2.1 有限元模型网格划分
文章采用实体单元建模，上下模型单元都选用solid164模型，solid164支持所有非线性问题。

钻头选用刚体模型，薄板采用线弹性单元模型，接触采取LS-DYNA 独有的自动接触方式，在接触协调中定义的罚函数应与穿透量相适应，以解决收敛
时间和精度的矛盾。

接触协调条件采用了在接触平衡迭代中增加接触刚度的罚函数法和增加附加自由度的拉格朗日乘子法相结合的增强拉格朗日法。

为使模型的计算收敛于精确解，对靠近接触面的特定区域细化网格，控制网格密度。

图1示出球形钻头和圆柱钻头摩擦生热的有限元网格模型。

图1 摩擦生热的有限元网格模型
1.2.2 摩擦热数学模型
工件材料选用45#钢，钻头采用硬质合金，用干摩擦，对于摩擦接触，其接触面摩擦热计算式为：
式中：μ——摩擦因数；
F——轴向正压力，N；
v——转动线速度，m/s；
n——转速，r/min；
d——钻头直径，mm。

由于钻头和薄板导热系数与比热容近似相同，所以理想状态下钣金得到的热量为Q/2，薄板上升温度计算式为：
式中：ΔT——钣金上升温度，℃；m——质量，kg。

2 仿真结果对照及分析
2.1 力结果分析
钣金受2种钻头压力后的应力分布图，如图2所示，球形钻头受力集中，延径向成阶梯变化趋势，后期更符合拉伸深孔的需要，而圆柱钻头受力均匀，不利于钣金拉伸深孔成形。

图2 钣金受钻头压力后应力分布图
2.2 热结果分析
为了更直观与精确地跟踪温度变化情况，分别取钣金与圆柱钻头接触处的最外侧点A和靠近钣金接触中心的点B，分析两点温度变化曲线，如图3所示，从而得到钣金温度上升规律，钣金加工环境温度设置为30℃。

从图3中可以看出，0.4 s时，靠近A点温度由30℃上升到36.5℃，靠近B点由30℃上升到34.5℃，两点温度上升速度相差大。

图3 圆柱钻头钣金温度上升曲线图
图4示出圆柱钻头钣金温度云图。

从图4可见，温度梯度变化明显，温度从中心
向外侧升高，实际钣金温度上升趋势符合经典摩擦理论，靠近外侧的点位移最大，温度最高。

圆心尽管未做有效功，但发生热传导，所以温度也升高，由于这种情况，薄板各个部分屈服极限会随温度变化，越靠近中心部分，屈服极限越高，但钻头为圆形截面，钣金受力均匀，显然不利于后期冲压成孔。

图4 圆柱钻头钣金温度云图
取球形钻头进行分析，由于所施加的压力很大，所以钣金会发生弹性变形，延钻头径向在钣金上取5个点，该5个点弹性应变曲线，如图5所示。

由图5可见，钣
金发生了明显的弹性应变，中心点C弹性应变最大，这有效加大了接触面积，大
大增加了摩擦热的产生，提升了钣金温度上升速率。

图5 球形钻头钣金的弹性应变曲线图
取钣金与球形钻头接触处最外侧点B，和靠近中心点A，其中A点与圆柱钻头钣
金B点位置相同，B点与圆柱钻头钣金A点位置相同。

图6示出球形钻头钣金温
度上升曲线图，与图3相比较，0.4 s时，两点温度由30℃上升在34～35℃。

图
7示出球形钻头钣金温度云图，从图7可以得出，温度延径向由外到内依次降低，但是降低趋势比圆柱钻头钣金缓慢，通过对比图3和图6也能得到相同结论。

球
形钻头钣金的屈服极限也会随着温度分布由外到内侧逐渐增加，而钣金所受到球形
钻头的压力是由外侧到内侧逐渐增大，符合钣金深孔成形所需要的压力。

图6 球形钻头钣金温度变化曲线图
图7 球形钻头钣金温度云图
3 结论
文章建立了滑动摩擦三维热结构分析有限元模型及其相关的边界条件，得到旋转滑动摩擦过程中温度上升与时间的正比例关系。

在滑动旋转摩擦过程中，最高温度在接触面最外侧，温度分布从外侧向中心逐渐降低，接触表面温度与转速成线性关系。

分析2种钻头形状，球形钻头钣金受力集中，圆柱钻头受力均匀，根据温度与屈
服极限关系分析得出，球形钻头更符合后期钣金深孔冲压成形要求。

参考文献
【相关文献】
[1]Qiu Xiaoyan,BoYucheng.Analysis of the Factors Affecting the Temperature of Sliding Friction Pairs[J].Mechanical Engineering & Automation,2007,145（6）：48-50.
[2]周仲荣.摩擦学发展前沿[M].北京：科学出版社，2006：20-25.
[3]周剑锋，顾伯勤.核机械密封端面摩擦热与热变形的耦合分析[J].动力工程，2007，28（2）：4-6.
[4]杨勇强，周明贵.离合器摩擦片热变形有限元分析[J].机械设计与制造，2007（2）：3-4.。