磨损数值仿真技术的研究进展_汪选国

第24卷　第2期摩擦学学报Vol24,　No2 2004年3月TRIBOLOGY March,2004磨损数值仿真技术的研究进展

汪选国,严新平,李涛生,吴　刚

(武汉理工大学可靠性工程研究所,湖北武汉　430063)

摘要:综述了近年来国内外磨损数值仿真技术研究进展和现状,重点评述了数值仿真方法在磨粒磨损、疲劳磨损、磨损表面形貌模拟和实际摩擦副磨损研究方面的应用.指出磨粒磨损仿真主要集中于二体磨损的磨损表面形貌分析和磨损预测;疲劳磨损仿真主要集中基于断裂力学方法的建模以及基于有限元方法的参数定量计算和疲劳裂纹行为数值模拟;实际摩擦副磨损仿真主要侧重于齿轮、凸轮和缸套-活塞环等典型摩擦副的磨损研究.就当前磨损数值仿真研究的主要问题和发展方向提出了建议.

关键词:磨损仿真;磨粒磨损;疲劳磨损

中图分类号:T H117.3文献标识码:A文章编号:1004-0595(2004)02-0188-05

多年以来,摩擦学界在磨损机理、摩擦学系统分析理论与方法、磨损表面微观分析等方面进行了大量的研究[1～3].但磨损研究方法大多集中于实验研究,即要求针对某种标准试样,以某种选定的试验条件在专门的试验机上进行大量模拟试验,以进行经验性探索[4].这种实验研究方法耗费大量时间、人力、物力和财力,而由于实际摩擦学系统的复杂性和不同工况,某些模拟试验结果不能很好地用于摩擦学系统设计和实际工程应用,如磨损寿命预测、磨损动态监测和耐磨性设计等[4].而数值仿真技术可以弥补这些不足,为摩擦学研究提供了一种新的手段[4～7].将数值仿真技术用于摩擦学系统研究,在分析和研究摩擦学系统的基础上建立仿真模型,进而利用计算机对模型进行改进和完善,将显著提高摩擦学研究的效率和摩擦学系统特性预测的准确性[4].本文概述了当前磨损数值仿真技术研究的进展和现状,并提出今后的研究方向.

1　磨粒磨损的数值仿真

磨粒磨损指外界硬颗粒或对摩表面硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象[1].Rabinowicz 建立了关于磨粒磨损的经典模型[2],有关磨粒磨损的仿真研究大多立足于该经典模型.

表面形貌对摩擦副性能的影响很大,由磨损和塑性变形引起的表面粗糙度变化是摩擦学系统性能具有时变特性的主要原因之一[8].因此,合理设计以及正确预测摩擦副的表面粗糙度很有必要.Zhang 等[9～11]基于随机过程理论提出了描述二体磨损过程中摩擦副表面形貌变化的磨损动态过程理论,在此理论基础上建立了软表面受硬表面微切削时表面粗糙度及磨损量的预测模型;该模型假设硬表面是绝对硬的刚体,不发生变形或磨损.刘峰壁等[8,12,13]在Zhang等的研究基础上建立了用于预测二体磨损过程中两磨损表面均发生磨损时的表面粗糙度及磨损量的模型;针对粗糙表面三体接触建立了数学模型,分析了三体接触中接触表面间距离和塑性变形量同第三体磨粒粒度分布、外载荷、接触表面微观几何参数及材料硬度之间的关系;并建立了三体磨粒磨损过程中摩擦副表面粗糙度的预测模型.

在磨粒磨损过程中,有的磨粒参与磨损过程,有的则不参与,表现出统计学特征.Jacobson等[14]建立了考虑多个磨粒同时作用的纯切削过程的统计学模型,利用该模型研究了磨粒尺寸、载荷及工件表面硬度对磨损率的影响,预测了发生接触的磨粒数量和磨损表面形貌.Jiang等[15]对Jacobson等的模型进行了修正,从而使得修正模型能够反映磨损表面形貌变化及磨损模式对磨损过程的影响.Podra等[16]建立了锥形接触时考虑表面形貌影响的磨粒磨损模型,并利用有限元法和解析法计算了相应的磨损,发现由2种计算方法得到的结果相差较大,并指出其原因可能在于

基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2002AB017).

收稿日期:2003-05-29;修回日期:2003-09-02/联系人严新平,e-mail:xpyan@mail.w .

作者简介:严新平,男,1959年生,博士,教授,博士生导师,目前主要从事设备诊断工程、摩擦学技术应用和智能交通等方面的教学与科研工作. DOI:10.16078/j.tribology.2004.02.022

采用解析方法时未考虑弹性变形的影响.Peterseim 等[17]针对销-盘摩擦磨损试验数值仿真建立了模型,并开发了仿真计算的计算机程序;通过改变材料和试验的输入参数(销的结构、试验时间、载荷、试盘或砂纸特性参数等),可以计算磨损体积损失和磨损表面形貌参数.Li等[18]建立了微观动态磨损仿真模型,用以模拟磨损过程和预测磨损过程中材料性能的变化. Elalem等[19]利用该模型研究了几种金属材料的磨粒磨损性能,发现理论分析结果同试验结果相一致. Nicholls等[20]用M onte Carlo方法模拟材料冲蚀磨损过程的随机特征,通过采用统计分布来描述每一种状态下的磨粒尺寸、材料性能和冲击速度,并计算每一次离散冲击磨损量以确定由所有离散冲击所造成的总磨损量.吴国清等[21,22]将M onte Carlo方法与数值模拟相结合,提出了二体磨料磨损的三维仿真模型,并利用该模型分析了磨粒粒度、尖锐度和圆锥度对磨损率的影响,发现粒度、尖锐度和圆锥度相互影响并共同决定磨粒的尺寸效应.

综上所述,目前关于磨粒磨损的仿真研究主要集中于二体磨损的表面形貌和磨损预测,对三体磨损的仿真研究较为欠缺.同经典磨损计算方法相比,在磨粒磨损仿真研究中引入随机过程理论和统计学原理具有明显的优势.为了更精确地模拟二体磨损过程,需引入更多的影响因素以综合考虑整个磨损过程.

2　疲劳磨损的数值仿真

疲劳磨损指2个相互滚动、滑动或滚动兼滑动的磨损表面在循环接触应力作用下局部引发裂纹,裂纹逐步扩展,最后导致材料剥落的磨损过程[3].在各种磨损形式中都不同程度地存在疲劳过程,因此对疲劳磨损的研究一直受到广泛关注.

Kapoor等[23]建立了韧性金属材料在循环滚动接触时的表面剥层磨损模型,并利用力学原理,将材料的磨损率同载荷、接触体的粗糙度、表面层材料的弹塑性联系起来,通过计算机仿真计算得到材料表面的磨损深度;但该模型没有考虑塑性变形导致的材料性能变化.为此,Franklin等[24]对上述模型进行了改进和完善,从而可以较为真实地反映微观结构变化而引起的材料性能的统计变化.

Flasker等[25,26]针对机械零件滚动和滑动接触时表面疲劳点蚀建立了仿真计算模型,并研究了不同接触表面和接触载荷下点蚀的形状以及应力强度因子同裂纹长度的关系,并将该模型用于2个啮合齿轮齿的表面点蚀仿真.

O'Neil等[27]用有限元方法研究了涂层材料在不同接触载荷下疲劳裂纹的形成和扩展过程.Chue 等[28]用断裂力学方法分析了滚动接触过程中应变硬化层对点蚀形成的作用,用二维有限元方法计算了Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子和应变能强度因子,计算分析预测结果与试验结果吻合.林刚等[29]利用弹性接触理论对接触面的切应力和法向应力进行叠加,然后经数值积分求出接触表面附近区域的应力曲线,进而研究了疲劳磨损、剥层磨损和压碎磨损机理.Fleming 等[30]利用线弹性断裂力学方法研究了亚表层裂纹沿滑动反方向扩展的模型,指出在接触区前方塑性变形区受压缩应力作用导致裂纹闭合,在接触区后方塑性变形区受拉伸应力作用导致裂纹扩展.Kimura等[31]基于磨损的剥层理论提出用纵向点接触模型评价裂纹尖端的应力强度因子(KⅠ、KⅡ、KⅢ),并利用有限元法计算了钢和Si3N4的I形和L形裂纹扩展应力强度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ分布及其最大值.Ghorbanpoo r 等[32]用有限元法模拟了磨粒磨损中以Ⅰ型断裂为主导的裂纹萌生和扩展行为,发现应力强度因子KⅠ随摩擦力的增大而增大,在与滑动方向大致成135°处达到最大值,裂纹扩展进入亚表层.在复合载荷作用下裂纹在某一临界深度沿滑动平行方向移动,最终遇到另一裂纹而发生片状剥层.Glodez等[33]用有限元法计算分析了基于圆柱体接触等效模型的应力强度因子同裂纹长度的定量关系,并对齿轮齿侧面的点蚀磨损进行了数值模拟研究.Komvopoulos等[34]用线弹性断裂力学和有限元法研究了均匀半平面在移动磨粒作用下的亚表层裂纹扩展行为,并阐述了裂纹长度与深度的比、接触区和裂纹界面的摩擦以及加载历程对Ⅰ型和Ⅱ型裂纹扩展方向的影响.Zhang等[35]用有限元法和最大拉应力准则分析了往复滑动半平面的表面裂纹扩展,发现裂纹屏蔽效应随裂纹间距减小而增强.此外,很多研究者将线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学与有限元方法相结合来建立仿真模型,并利用仿真模型研究了磨损过程中疲劳裂纹的扩展行为.总体而言,疲劳磨损的数值仿真研究主要集中于用力学和断裂力学方法建立疲劳磨损模型,用有限元法进行参数定量计算和疲劳裂纹行为的数值模拟.由于疲劳磨损过程相当复杂,影响因素众多,必须建立切合实际的疲劳磨损力学模型.

3　磨损表面形貌的数值仿真

在磨损仿真研究中,首先应确定接触表面的形貌.目前,主要应用随机过程理论和统计学原理对表

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