結(jié)構(gòu)磨損

磨損是物體或零件相互接觸并相對運(yùn)動的系統(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、腐蝕磨損和微動磨損等等，前三種磨損比較常見。

a)粘著磨損——摩擦副相對運(yùn)動時, 由于固相焊合, 接觸表面的材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面的現(xiàn)象稱為粘著磨損。當(dāng)摩擦副之間沒有潤滑油, 或其間油膜受到過高的負(fù)荷而破裂時, 特別容易產(chǎn)生粘著磨損, 嚴(yán)重時摩擦副會咬死；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)物體或顆粒可能是中間物質(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。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——兩接觸面作滾動或滾動滑動復(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)力的大小是隨時間或位置的不同而不斷改變的，所以在很多磨損過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。

開展磨損分析的意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.磨損是由于材料的塑性變形而造成的材料損失；

2.磨損是摩擦和相對運(yùn)動的機(jī)械現(xiàn)象的副產(chǎn)品；

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

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

Ansys Mechanical磨損仿真思路

在微觀尺度上，磨損過程相當(dāng)復(fù)雜，各種機(jī)械和化學(xué)過程導(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。

Ansys Mechanical APDL模型使用這種現(xiàn)象學(xué)方法仿真磨損。通過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)移動到新位置，接觸變量（例如接觸壓力）會發(fā)生變化。接觸面下的連續(xù)單元也會經(jīng)歷材料（和體積）的損失，從而模擬磨損。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動到一個新的位置后，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、相對滑動速度、潤滑、嚙合材料的物理性能等等。Ansys Mechanical 平臺下，可以通過以下兩種模型對磨損量進(jìn)行評估：

– 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、滑動速度和材料硬度聯(lián)系起來。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TB, WEAR 定義一種磨損“材料”模型，并將其賦給對應(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，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階段。1、通過磨損模型計(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開展接觸非線性計(jì)算，求解收斂后，通過Archard磨損模型計(jì)算產(chǎn)生的磨損量，根據(jù)磨損增量移動接觸節(jié)點(diǎn)。使用磨損模型計(jì)算的磨損增量（磨損率乘以時間增量：

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

由于磨損是一個材料去除過程，接觸面下的單元不會因接觸節(jié)點(diǎn)的移動而承受任何應(yīng)變或應(yīng)力。大的磨損增量會導(dǎo)致最初閉合的接觸對打開。這可能會導(dǎo)致收斂問題，尤其是發(fā)生剛體運(yùn)動時。因此，強(qiáng)烈建議在磨損分析時使用非常小的時間增量。

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，分析可能錯誤中斷。如果發(fā)生這種情況，可以使用手動重新分區(qū)或非線性網(wǎng)格自適應(yīng)來改進(jìn)網(wǎng)格并繼續(xù)分析。手動重劃分和非線性網(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。

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

隨著磨損的累積，界面處的接觸結(jié)果隨時間而變化。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的接觸結(jié)果時，可以自動終止分析；例如，當(dāng)接觸壓力降至臨界值以下時，或當(dāng)磨損量超過臨界值時。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，請參見面-面接觸（基于對）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，單元劃分，接觸定義等與常規(guī)的接觸分析相同，但需要在對應(yīng)的接觸對中通過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)可以存儲在CONTA174單元的附加輸出中。要存儲數(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UserDefined Result對磨損量進(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，可以在幫助文件中查詢Ansys Mechanical APDL Element Reference中各單元輸出表格。