基于ANSYS_LS-DYNA的磨料冲击行为分析

为了获得精确的结果，靶材冲击区域采用精细网 格。磨料和靶材的几何模型和网格划分见图ｌ。靶材 底部和四周节点由非反射边界定义。接触类型选择 面一面侵蚀接触算法（Ｅｓ码），静动摩擦系数分别为Ｏ．图ｌ １５、０．１０。定义磨料初速度为５舶／ｓ，通过ＡＮｓＹＳ参数 设置语言（ＡＰＤＬ）向磨料施加重力加速度９。８ ＩＩｌ／ｓ２。 求解时间２ｌ，ｔ为磨料颗粒从开始降落到接触靶材表 面所需的时间。
ｓ眈ｎ加ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｌｌｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｎ ＡＮＳＹｓ／ＬＳ—
ＤＹＮＡ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＬＳ．ＤＹＮＡ ｓｏｌｖｅｒ．Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａ】【ｉｍｕｍ
从Ｆｉｎｎｉｅ提出微切削模型后【２】，冲蚀磨损得到了广泛的研究，已得到许多分析模型和预测公式∞］，但这 些模型只能解释某些特定材料特定条件下的冲蚀磨损行为，存在一定的局限性。近年来有限元模拟开始被 发展用来研究冲蚀磨损过程，ＷａＪｌｇＭｌ分别以状态方程相关的Ｊｏｈｎｓｏｎ．Ｃｏｏｋ和Ｊｏｈｎｓｏｎ．Ｈｏｌｍｑｕｉｓｔ模型作为本 构模型，１００粒碳化硅为磨料，研究了塑性材料（Ｔｉ石Ａ１４Ｖ）和脆性材料（ＳｉＣ陶瓷）的冲蚀磨损过程。研究 表明，有限元模拟的分析结果与前人的实验结果一致。Ｊｏｈｎｓｏｎ－ｃ００ｋ模型适用于塑性材料的高应变率冲 击Ｈ】，在ＡＮＳＹｓ／ＬＳ．ＤＹＮＡ的材料模型库中编号为１５；而适用于脆性材料的Ｊｏｈｎｓｏｎ．Ｈｏｌｍｑｕｉｓｔ模型［４ ３较为 复杂目前研究成果很少。
（１．Ｓｃｈ∞ｌ ０ｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ柚ｄ Ｅｎｇｉｎ∞ｒｉｎｇ，ｘｉ，觚Ｕｎｉｖ哪酊ｏｆ ＡｎｃｈｉｔｅｃｎＩＩｅ锄ｄ‰ｈｎｏｌｏ盯，Ｘｉ缸７１００５５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈ砌ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅ晤ｎｅ碰ｎｇ，】【ｉ缸ＵｎｉＶ哪ｉ婶０ｆ ＡｒｃＩｌｉｔｅｃｔｕ地ａｎｄ Ｔｋｈｎｏｌｏ舒，ｘｉ细７１００５５，ＣｈｉＩｌａ）
万方数据
第２期
廉晓庆等：基于ＡＮｓＹＳ／Ｌｓ—ＤⅥ峨的磨料冲击行为分析
４ｌｌ
晌时，分别将磨料建模为球体和六棱柱。球体半径与 实体尺寸一致为Ｏ．２５ ｒ姗，六棱柱内切圆半径Ｏ．２５
姗，深度０．４姗，以此保证磨料颗粒体积相同。研究
磨料粒径对冲蚀磨损的影响时，将磨料建模为球体，球
体半径分别为Ｏ．１５咖，０．２５咖，０．３５ ｍｍ，０．５５姗。
靶材选择ｓｏｌｉｄｌ６４单元，磨料选择ｓｏｌｉｄｌ６８单元。运用有限元ＡＮｓＹｓ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的三维显式动力分析模
型建模。靶材为２哪×２ ｍｍ×１ ｍｍ的块体，材料性能参数如下：密度３．５ ｇ／ｃｍ３，弹性模量４００ ＧＰａ，泊松
比０．２５。磨料位于靶材正上方２ ｍｍ高处，材料性能参数：密度３．２ ｇ／ｃｍ３，弹性模量４５０ ＧＰａ，泊松比０．２５。 将圆形磨料的形状理想为球形，实际冲蚀过程中磨料通常为多角形颗粒，所以研究磨料形状对冲蚀磨损的影
Ｅｙ＝（ｍｏ—ｍ１）／（ｐ肘）
式中：ｐ为试样的密度，砂ｃｍ３；ｍ。为试样原始质量，ｇ；ｍ。为冲蚀磨损后试样的质量，ｇ；Ｍ为磨料总质量，
ｋｇ。
３有限元建模
虽然单个粒子的冲击不会导致材料剥落，无法计算出冲蚀磨损率，但很多学者认为”１研究单个粒子对 材料的冲蚀是冲蚀磨损研究的基础。本文有限元建模的目的在于研究不同磨料形状和粒径对靶材受力的影 响，所以建立了单个磨料颗粒对材料的冲蚀有限元模型。由于本实验冲蚀速度仅为５，ｎ／ｓ，靶材属于脆性材 料，因此不会产生大应变率。又考虑到单个磨料颗粒的冲击作用时间很短仅几微秒，靶材应力应变曲线为脆 性断裂，所以将材料本构模型简化为ｌｉｎｅａ卜ｅｌａｓｔｉｃ．ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ模型。为了节省计算时间，磨料材料类型为刚体。
摘要：采用实验与有限元模拟相结合的方法研究了磨料形状和粒径对材料冲蚀磨损性能的影响。采用ｌｉｎｅ踟
ｅＩａｓｔｉｃ·ｉｓｏｔｒ叩ｉｃ模型作为靶材的本构模型，运用ＡＮｓＹｓ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的三维显式动力分析模型建立了棕刚玉磨料冲蚀
高强耐火浇注料的有限元模型，运用求解器对冲蚀过程中的磨料冲击行为进行了计算。结果表明：单个六棱柱体
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉ越ｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｂｒａｓｉｖｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ台ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｏｎ ａｂｒａｓｉｏｎ ｗｅａｒ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｂｏｔｌｌ
ｏｆ ｔｅｓｔｓ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ａｂｒａｓｉｖｅ ｐａｔｉｃｌｅ（ｐａｒｔｉｃｌｅ）ｗ嬲ｂｒｏｗｎ ｆｕｓｅｄ ａｌｕｍｉｎａ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎ昏ｈ ｒｅｆ｝ａｃｔｏｒｙ． “ｎｅａｒ·ｅｌａｓｔｉｃ—ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｍｏｄｌｅ（ｍｏｄｅｌ）ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔａ唱ｅｔ—ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉＶｅ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｂｒｏｗｎ ｆｕｓｅｄ ａｌｕｍｉｎａ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｈｉｇｈ
本文以棕刚玉为磨料，高强耐火浇注料为靶材进行了冲蚀磨损实验，研究磨料性质（形状、粒径）对冲蚀 磨损性能的影响。运用有限元模拟初步探讨冲蚀磨损过程中的磨料冲击行为。
２实验
以棕刚玉（５—３ ｍｍ、３一ｌ ｍｍ、１—０ ｍｍ、＜０．０８８ ｍｍ），硅微粉，ａ－Ａ１２０３微粉，ＣＡ－７０铝酸盐水泥为主要 原料制成高强耐火浇注料。将配好的物料振动成型为ｌｏｏ×１００×２０ ｍｍ的试样，１１０℃烘干２４ ｈ后，在 １１００℃下进行烧结并保温３ ｈ。取１１０℃烘后试样和１ １００℃烧后试样作为靶材，两种材料的力学性能见表 １。磨料为棕刚玉（ｍ：Ｏ，≥９５．０％），硬度２０—２２ ＧＰａ，密度４．０ ｇ／ｃｍ３，平均粒径分别为０．５０ ｍｍ，０．７１ ｍｍ，
１．９ ｍｍ．
表ｌ试样的力学性能
ｓ锄ｐｌ酷 Ｔａｂ．１ Ｍｅｃｈａｎｉ伪ｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
Ｎｏ．
Ｔｅｍｐｅ阳ｔｕｒｅ／℃
Ｄｅｎｓｉｔｙ／ｇ·ｃｍ’３
Ｐ０ｒｏｓｉｔｙ／％
Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇＩｈ／ＭＰａ
Ａ
１１０
３．２
１９．２
６６．４
Ｂ
ｌｌｏｏ
３．５
１２．３
８８．４
试验装置为自制的常温冲蚀试验仪，冲蚀磨损试验参照ＧＢ／Ｔ １８３０ｌ－２００ｌ耐火材料常温磨损试验方法。 以下实验冲蚀角度９０。，冲蚀速度５ Ｈ∥ｓ，磨料总量２ ｋｇ，流量１６０ ｇ／ｍｉｎ，气体压力４００ ｋＰａ。由于试样的密 度不同，为便于比较，用体积冲蚀磨损率（简称冲蚀磨损率）Ｅ，（ｃｍ３）来反映材料的抗冲蚀磨损性能：
Ｍ 。亡囫］１１１１０００℃℃
的冲蚀磨损率均大于１１００℃烧后试样。随着磨料粒径
幢
的增大，１１０℃烘后试样的冲蚀磨损率随之增大，颗粒 越粗冲蚀磨损越严重，而１１００℃烧后试样冲蚀磨损率 几乎不变。磨料粒径对脆性材料冲蚀磨损的影响研究 者们持不同意见，鲍崇高＂１认为当粒径尺寸增大到一定
ｏｆ Ｖｏｎ ｍｉｓｅｓ ｓｎ．ｅｓｓ ａｔ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｂｙ ｓｉｎ出ｅ ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｐｒｉｓｍ曲ｒａｓｉｖｅ ｐａｔｉｃｌｅ ｉｓ（ｗａｓ） ａｂｏｕｔ ｆｏｕｒ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｂｙ ｓｉｎｄｅ ｓｐｈｅｒｅ ａｂｒ暑憾ｉＶｅ ｐａｔｉｃｌｅ．７１１ｌｅ ｓｈａｐｅ ０ｆ ａｂｒａｓｉｖｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｈａｄ ａ ｇｒｅａｔ ｉｎｎｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ“Ｖｏｎ ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ砒ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｈａ印ｌｙ ｗｉｔＩｌ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅ鹕ｅ ｏｆ ｐａｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ，ａｎｄ ｉｔｓ ａｃｔｉｏｎ（ａｃｔｉｏｎ）ｔｉｍｅ ｗａｓ ｌｏｎｇｅｒ．Ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ ｒａｔｅ ｏｆ ｈ培ｈ ｓｔｒｅｎ昏ｈ ｒｅｆｈｃｔｏｒｙ ａｆｔｅｒ ｂａｋｉｎｇ ａｔ １１０℃ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔ｝ｌ山ｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ，ｂｕｔ ｐａｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｈａｄ ｌｉｔｔｌｅ础ｂｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅａｒ ｒａｔｅ ｏｆｗｈｉｃｈ ａｆｔｅｒ ｂｕｍｅｄ ａｔ １１００℃． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ；ｅｍｓｉｏｎ ｗｅａｒ；ａｂｍｓｉｖｅ ｐａｎｉｃｌｅ；ｖｏｎ ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ
越容易出现裂纹产生磨损。研究表明Ｌ６ｊ，在相同条件 下，都是９０。冲击角时，多角形磨粒比圆形磨粒的磨损 大４倍，本文有限元模拟结果可很好地解释此现象。
可见，利用有限元建模分析材料在单个粒子冲击 下的受力情况，是研究冲蚀磨损过程的有效途径。不
图２不同形状磨料冲蚀下不同形状 磨料靶材中心点的ｖｏｎ ＩＩｌｉｓ髓应力
第２９卷第２期
硅 酸 盐 通报
ｖ。１．２９ Ｎ。．２
；：丝！垒篁！星：：：：；一一一；：：：里望！塑坠皇坠！墅：些！垒堇！垦篁坠塑垒：塑墅兰——；一一一＝墅塞！；窒垒坠＝
基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ·ＤＹＮＡ的磨料冲击行为分析
廉晓庆１，蒋明学１，白顶有２
（１．西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安７ｌ００５５；２．西安建筑科技大学土木工程学院，西安７１００５５）
有限元模型和网格划分（ａ．球形磨料；ｂ．六棱柱磨料） ｆ豫．１ Ｆｉｎｉｔｅ幽嘲皓眦耶旧ｔｈｏｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ⅱ瞄ＩｌｉＩｌｇ（墨．ｓｐｈｅ糟．ｂ．１ｌｅ瑚ｇ叽ａｌ ｐｒｉｓｍ）
４结果和讨论
４．１磨料形状对冲蚀磨损性能的影响
为了分析磨料形状对冲蚀磨损性能的影响，分别
将磨料建模为球体与六棱柱体，球体代表边缘圆滑的
（ｘ：
磨料，六棱柱体代表棱角尖锐的磨料。研究了两种情
秀：
况下靶材中心点的ｖｏｎ ｍｉｓｅｓ应力，分析结果见图２。
ｌ，
当磨料颗粒为多角形颗粒时，尖角接触材料表面，
．蓍
颗粒的所有能量均施加于很小的接触面上，由图２可
星
见，六棱柱体磨料颗粒对靶材中心点的ｖｏｎ ｍｉｓｅｓ应力
最大值为球体磨料的４倍左右，材料受到的应力越大
中图分类号：’Ｉ．Ｑ１１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１．１６２５（２０ｌＯ）０２删埘
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｉｍｐａｃｔｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＡｂｒａｓｉＶｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ／ＬＳ．ＤＹＮＡ
ｕ州Ｘ汹一ｑ讥窖．ＪＩＡＮＧ Ｍ讥ｇ．，ｃ矗，ＢＡｌ Ｄ讯ｇ．ｙ击
Ｆｉｇ．２ Ｖｏｎ ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ａｔ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆｔａｒｇｅｔ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｂｙ ａｂｍｓｉｖｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ讲ｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｌｌａｐｅ
足的是，有限元无法设置硬度参数，分析磨料硬度对材料冲蚀磨损率的影响。
４．２磨料粒径对冲蚀磨损性能的影响
不同磨料粒径下材料的冲蚀磨损试验结果见图３。 可以看出同一磨料粒径冲蚀的条件下，１１０℃烘后试样
１引言
冲蚀磨损是一个动态的材料表面失效过程，Ｂｉｔｔｅｒ将冲蚀磨损定义为“流体携带固体颗粒对材料表面高 作者简介：廉晓庆（１９８５·），女，博士研究生．主要从事耐火材料及应用研究．Ｅ一啪ｉｌ：ｌｉａｎｘｉ４０ｑｉⅡ印３０４＠１２６．ｃ哪
万方数据
４１０ 研究快报
硅酸盐通报
第２９卷
速冲击造成的材料损坏”…。冲蚀磨损是耐火材料使用过程中的主要损毁形式之一，研究不同参数下耐火 材料的冲蚀磨损规律，对探索耐火材料的冲蚀磨损机理，研究开发抗冲蚀性能优良的耐磨耐火材料有重要的 理论意义和经济价值。
磨料颗粒对靶材中心点的ｖ∞ｍｉ螂应力最大值为球体磨料的４倍左右，磨料形状对冲蚀磨损有很大影响；随着磨
料粒径的增大，靶材中心点的咖ｎｌｉｓ∞应力最大值急剧增加；１１０℃烘后高强耐火浇注料的冲蚀磨损率随着磨料
粒径的增加而增加，磨料粒径的增加对１１００℃烧后高强耐火浇注料的冲蚀磨损率影响不大。
关键词：ＡＮｓＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ；冲蚀磨损；磨料；ｖ∞ＩＩபைடு நூலகம்ｉ蝴应力