计算机模拟在工程中的应用

计算机模拟在工程中的应

用

姓名：曾亚维

班级：研机械工程1402班

学号：S1403066

2015年6月30日

滑动摩擦的有限元仿真研究

引言

计算机数值仿真是数值计算理论与计算机相结合而发展起来的一种新技术，在众多工程领域发挥了重要的作用。随着计算机数值仿真技术的发展和计算机辅助工程(CAE)分析软件的出现，在摩擦学领域，摩擦磨损仿真技术的研究也正蓬勃兴起。数值仿真的实质是将连续的过程离散化，从而使复杂的动态问题转化成较简单的准静态问题。该技术应用于复杂的摩擦学磨损问题是十分有效的，并具有广泛的应用前景。目前人们己经将其用在摩擦副的接触分析、寿命预测、优化设计、状态监测及建立相应的耐磨损强度校核及设计准则等方面，发挥了重要的作用。采用基于计算机的数值仿真方法进行各种方案的计算，则可以使大难度的工作轻易完成，并可以大大缩短新技术的开发和生产的时间周期。而且对于不同条件(如材料、载荷、运转速度、温度、工作条件等)下的同类问题，只须改变数学模型中相应的参数，就能够获得对应的仿真结果，给工程设计分析带来质的飞跃。

1、国内外摩擦磨损仿真研究

国际上许多学者都对摩擦学仿真进行了大量的研究，为摩擦学在新技术时期的发展做出了突出贡献。如1977年首次召开专门涉及磨损领域的国际材料磨损会议(Wear of Materials，简称WOM)，专门讨论和交流磨损研究的进展，并且每隔两年召开一次，现在已经召开了14届国际材料磨损会议。在第14届会议上，约翰·霍普金斯大学的Mark Robbins教授作了“摩擦学的计算机仿真”特邀报告。Robbin教授指出，利用摩擦学仿真，可以用理想化的试验来对几何参数、化学参数和滑动条件等进行全面控制，使得对摩擦、润滑和磨损等每个变量的影响的控制成为可能；同时，他就违反人们直觉的几种摩擦学现象在纳米尺度上的摩擦学仿真进行了有益而成功的探索，运用表面吸附膜和2个表面间存在的“第三体”解释了Amonton摩擦定理及其它的摩擦学现象等。

计算机仿真技术运用到摩擦学领域，国内的部分专家学者在80年代就开始对此做了深入的研究。但由于对摩擦副的影响因素较多和磨损机理的复杂性，国内因此在摩擦学的仿真研究方面，多集中在对具体的工程机械摩擦构件上。如大连大学的江亲瑜教授、大连海事大学的严立教授、西安交通大学方亮教授、洛阳工学院的林纲等人开展了积极的探索，做了大量有意义的研究工作。江亲瑜教授等人在初期进行有关数值仿真技术在磨损研究中的应用方面的研究，提出了一个研究磨损问题的数值仿真模型，并探讨了该模型在多种磨损问题中的应用前景。严立教授等人提出一种利用智能仿真技术求解磨损问题的方法。其思路是在磨损试验、机理研究和系统分析的基础上，采用模糊推理和智能仿真方法对磨损状况进行演绎。他并不勉强去建立磨损与各影响因素之间的显式数值关系，而是利用

有关基础理论、试验资料和经验知识，建立了包含有灰匣和黑匣以及推理机构的框形综合仿真模型；以必要的试验数据及应用工况为初始条件，进行仿真试验并对结果的可信度进行检验，以此评价系统的耐磨特性，预测其发生故障的可能性及使用寿命。

2、目前存在的问题

摩擦学系统的复杂性导致人们很难对摩擦副的磨损性能给出定量的预测，尽管研究者们在摩擦磨损数值仿真方面所做的工作，取得了不少成绩，但同时也有一定的问题存在。许多研究者通过实验分别从不同角度研究了不同磨损机理形式在平滑表面上的磨损模型，但都不能很好地得到验证。如Podar等学者建立锥形接触时考虑表面形貌的磨粒磨损模型时，用有限元和解析法两种方法对磨损进行了计算，但两种方法计算结果相差较大。Meakawa，K等人对接触表面的摩擦机理、微观粗糙度和微观形貌进行的模拟和分析也局限于微观机理方面，没有从宏观上把握磨损特性。在实验室通过磨损试验对摩擦学的性能进行仿真研究的研究者们，只考虑即定参数、即定的磨损阶段的摩擦学行为；在建立仿真模型过程中对一些影响因素的处理有待商榷；对同时改变多参数如材料、载荷、速度等没给予深入研究。一般说来，在某种特定的条件下通过试验手段所得到的磨损特性，在条件有了一些变化时，就发生很大的改变。如果想了解该状态下的磨损情况，人们就不得不做试验或者是积累数据以确定磨损曲线等。然而，达到这个目的需要大量的试验数据的支持。

3、ANSYS对销盘接触问题的仿真实现

1970年，JohnS wanson博士发现计算机模拟工程商品化的前景，于是创建了ANSYS公司。30年来，ANSYS公司致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，使得这一分析软件功能更强大，使用更加便利。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。

3.1 ANSYS接触分析

接触问题是一种高度非线性行为,需要较大的计算资源，为了进行切实有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题存在两个较大的难点：其一，在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。

3.2 ANSYS销盘接触分析步骤

ANSYS支持三种接触方式：点一点，点一面，面一面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪

些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是

一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元。有限元

模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接忽王单元是覆盖在分析模型

接触面之上的一层单元。就销盘接触模式的ANSYS 分析，摩擦表面微凸体放大

到半球体接触分析，本文采用点一面接触单元；而对销盘实体接触分析则采用面

一面接触单元。

ANSYS 分析不同的接触单元时，由于各接触单元形状以及节点不同,因此有

不同的分析过程。但其基本分析步骤是一致的，就销盘接触所用到的接触单元模

式讲，为了保证整个仿真过程的实现和便于采用ANSYS 参数化设计语言(APDL ，

ANSYS Parametric Design Language)，需制定求解步骤，并通过实际求解过程来

完善，以满足在输入参数改变的情况下快速获取所需要的接触应力和变形值，其

设计步骤流程图如图1所示。

图1 ANSYS 对销盘仿真步骤

3.3 ANSYS 计算仿真实现

采用有限元法对于求解球体接触问题，分析变载荷作用下的变形、应力分布

输入初始化参数并建立实体模

型-接触体几何形状、相对位置；

-材料弹性模量E ，泊松比μ；

生成有限元模型（/PREP7）

定义并生成接触单元

定义边界条件、加载

做结构静态分析（/SOLU ）

剥离接触区，获

取法向相接触压

力分布（/POST1） 拾取接触实体的变形值（/POST1）

仿真结果

结束仿真？ 退出改变实体参数 是

否