結(jié)構(gòu)磨損

磨損是物體或零件相互接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)中發(fā)生的一種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象普遍存在于生產(chǎn)生活中。磨損會(huì)消耗機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的能量，使機(jī)器零部件使用壽命縮短，造成了材料消耗。磨損的結(jié)果是零部件幾何尺寸變小，零部件失去原有設(shè)計(jì)所規(guī)定的功能而產(chǎn)生失效。失效包括完全喪失原定功能；功能降低，有嚴(yán)重?fù)p傷或隱患，繼續(xù)使用會(huì)失去可靠性及安全性。

磨損按照其表面破壞機(jī)理可分為：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損等等，前三種磨損比較常見(jiàn)。

a)粘著磨損——摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 由于固相焊合, 接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的現(xiàn)象稱為粘著磨損。當(dāng)摩擦副之間沒(méi)有潤(rùn)滑油, 或其間油膜受到過(guò)高的負(fù)荷而破裂時(shí), 特別容易產(chǎn)生粘著磨損, 嚴(yán)重時(shí)摩擦副會(huì)咬死；又稱為咬合磨損。粘著磨損金屬表面特點(diǎn)是：金屬表面常粘附一層很薄的轉(zhuǎn)移膜伴有化學(xué)成分變化。

b)磨料磨損——硬質(zhì)物體或顆粒的切削或刮擦作用引起表面材料脫落的現(xiàn)象。磨料磨損可分為鑿削式、高應(yīng)力碾碎式和低應(yīng)力擦傷式等形式。由于硬質(zhì)物體或顆?？赡苁侵虚g物質(zhì), 或者是摩擦副本身, 切削或刮擦作用在單一摩擦行程中就能發(fā)生, 因此磨損量往往是很高的，在工業(yè)中最常見(jiàn)。機(jī)械零件大約有50 % 是由于磨料磨損而損壞的。磨料磨損的形貌特征：摩擦面上有明顯溝槽。

c)表面疲勞磨損——兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合摩擦?xí)r, 在交變接觸壓應(yīng)力作用下使材料表面疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象。齒輪副、凸輪副、滾動(dòng)軸承、鋼軌與輪箍等都能產(chǎn)生表面疲勞磨損。

由于接觸壓應(yīng)力的大小是隨時(shí)間或位置的不同而不斷改變的，所以在很多磨損過(guò)程中都伴隨有表面疲勞磨損。形貌特征：表現(xiàn)為裂紋的漸漸形成和擴(kuò)展、表面顆粒脫落、留下麻點(diǎn)和孔穴。

開(kāi)展磨損分析的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.磨損是由于材料的塑性變形而造成的材料損失；

2.磨損是摩擦和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械現(xiàn)象的副產(chǎn)品；

3.人們期望通過(guò)減少磨損來(lái)減少材料損失，并多次減少能量損失，使系統(tǒng)更加高效；

4.有效地對(duì)磨損進(jìn)行建模有助于預(yù)測(cè)材料損耗和設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)的變化，這些變化可能會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)行的一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生重大的動(dòng)力學(xué)變化。

Ansys Mechanical磨損仿真思路

在微觀尺度上，磨損過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，各種機(jī)械和化學(xué)過(guò)程導(dǎo)致材料失效和損耗。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)尺度上，磨損可以通過(guò)現(xiàn)象學(xué)模型近似，該模型將接觸面上的各種狀態(tài)參數(shù)與材料損失聯(lián)系起來(lái)。

Ansys Mechanical APDL模型使用這種現(xiàn)象學(xué)方法仿真磨損。通過(guò)在接觸面上重新定位接觸節(jié)點(diǎn)，可以近似計(jì)算磨損造成的材料損失。節(jié)點(diǎn)的新坐標(biāo)由磨損模型確定。由于接觸節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到新位置，接觸變量（例如接觸壓力）會(huì)發(fā)生變化。接觸面下的連續(xù)單元也會(huì)經(jīng)歷材料（和體積）的損失，從而模擬磨損。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到一個(gè)新的位置后，平衡可能不再滿足，程序?qū)⒗^續(xù)迭代直到達(dá)到平衡。

影響磨損的因素包括：表面幾何形狀、施加的載荷、相對(duì)滑動(dòng)速度、潤(rùn)滑、嚙合材料的物理性能等等。Ansys Mechanical 平臺(tái)下，可以通過(guò)以下兩種模型對(duì)磨損量進(jìn)行評(píng)估：

– Archard磨損模型 (TB, Wear, opt=ARCD)

– 用戶自定義的磨損模型 (TB, WEAR, opt=USER)

ANSYS中的 Archard磨損模型基本原理如下：

– 所有的材料參數(shù)都可以是溫度的函數(shù)；

– 材料硬度可以是接觸單元屈服強(qiáng)度的函數(shù)。

Archard磨損模型將磨損率與接觸壓力、滑動(dòng)速度和材料硬度聯(lián)系起來(lái)。默認(rèn)情況下，磨損方向與接觸法線方向相反。但是，用戶可以定義任何所需的磨損方向。

計(jì)算步驟

要激活接觸面上的磨損分析，需要通過(guò)TB, WEAR 定義一種磨損“材料”模型，并將其賦給對(duì)應(yīng)的接觸單元（CONTA172, CONTA174及CONTA175單元支持磨損分析）。用戶可以使用TBDATA命令定義磨損屬性，也可以使用TBFIELD聯(lián)合TBDATA定義隨溫度/時(shí)間變化的屬性，TBTEMP命令可以用于定義溫度依存型磨損數(shù)據(jù)。定義磨損時(shí)，選擇TBOPT=ARCD。模型所需的材料常數(shù)在TBDATA命令中指定參數(shù)項(xiàng)C1到C4。用戶可以通過(guò)參數(shù)C5進(jìn)一步控制Archard模型的實(shí)現(xiàn)方式。常數(shù)C6、C7和C8可用于定義磨損方向的方向余弦。

磨損的模擬包括兩個(gè)階段。1、通過(guò)磨損模型計(jì)算磨損量；2、更新幾何（節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)）以考慮磨損。首先，Ansys Mechanical開(kāi)展接觸非線性計(jì)算，求解收斂后，通過(guò)Archard磨損模型計(jì)算產(chǎn)生的磨損量，根據(jù)磨損增量移動(dòng)接觸節(jié)點(diǎn)。使用磨損模型計(jì)算的磨損增量（磨損率乘以時(shí)間增量：

xΔt）沿與該節(jié)點(diǎn)接觸法線相反的方向移動(dòng)接觸節(jié)點(diǎn)。在非線性求解過(guò)程中，在滿足用戶設(shè)定的力和位移收斂準(zhǔn)則的迭代過(guò)程中，利用迭代過(guò)程中的磨損增量和磨損方向來(lái)移動(dòng)接觸節(jié)點(diǎn)。由于這種接觸節(jié)點(diǎn)的重新定位會(huì)導(dǎo)致失去平衡，因此需要額外的迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)收斂。如果在施加磨損后無(wú)法收斂，則使用通常的bisection程序，減小步長(zhǎng)。丟棄磨損增量，重復(fù)求解增量，應(yīng)用bisection方法。

由于磨損是一個(gè)材料去除過(guò)程，接觸面下的單元不會(huì)因接觸節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而承受任何應(yīng)變或應(yīng)力。大的磨損增量會(huì)導(dǎo)致最初閉合的接觸對(duì)打開(kāi)。這可能會(huì)導(dǎo)致收斂問(wèn)題，尤其是發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)。因此，強(qiáng)烈建議在磨損分析時(shí)使用非常小的時(shí)間增量。

由于磨損涉及重新定位表面節(jié)點(diǎn)以模擬材料損失，因此接觸單元下的實(shí)體單元質(zhì)量會(huì)隨著磨損的增加而逐漸變差。由于單元扭曲變形，分析可能錯(cuò)誤中斷。如果發(fā)生這種情況，可以使用手動(dòng)重新分區(qū)或非線性網(wǎng)格自適應(yīng)來(lái)改進(jìn)網(wǎng)格并繼續(xù)分析。手動(dòng)重劃分和非線性網(wǎng)格自適應(yīng)可用于CONTA172和CONTA174單元。

結(jié)果后處理

接觸單元節(jié)點(diǎn)處的總磨損分量可用NMISC數(shù)據(jù)顯示。為了顯示已發(fā)生的磨損，磨損量也被添加到模型節(jié)點(diǎn)位移中，保存在jobname.RST文件中。

由于接觸對(duì)磨損而損失的總體積可以通過(guò)NLHIST命令進(jìn)行跟蹤。NLHIST必須在求解開(kāi)始之前設(shè)定。

隨著磨損的累積，界面處的接觸結(jié)果隨時(shí)間而變化。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的接觸結(jié)果時(shí)，可以自動(dòng)終止分析；例如，當(dāng)接觸壓力降至臨界值以下時(shí)，或當(dāng)磨損量超過(guò)臨界值時(shí)。使用NLHIST命令的STOP\u VAUE和STOP\u COND參數(shù)可以設(shè)定終止分析的條件。

有關(guān)如何在接觸分析中查看結(jié)果的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)面-面接觸（基于對(duì)）中查看結(jié)果。

磨損分析算例

本算例模擬鋼環(huán)在銅套中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨損，模型概況及邊界條件如下圖所示：

算例的材料設(shè)置，單元?jiǎng)澐?，接觸定義等與常規(guī)的接觸分析相同，但需要在對(duì)應(yīng)的接觸對(duì)中通過(guò)APDL增加磨損屬性。增加的APDL命令流及注釋如下圖所示：

磨損數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在CONTA174單元的附加輸出中。要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)在“分析設(shè)置”中啟用“Contactmiscellaneous”（如下圖所示）

計(jì)算后，可以通過(guò)UserDefined Result對(duì)磨損量進(jìn)行后處理，設(shè)置如下圖所示：

接觸面上的磨損量如下圖所示：

更多關(guān)于接觸單元磨損的輸出結(jié)果項(xiàng)及序號(hào)，可以在幫助文件中查詢Ansys Mechanical APDL Element Reference中各單元輸出表格。