基于ABAQUS的陶瓷表面织构化的三维摩擦仿真分析

摘 要 ： 表面织构技术在降低摩擦、 减小磨损、 改善润滑、 提高承载力等方面具有优异的表现， 并逐渐成为解决摩擦 磨 损 问 题 的 一 种 手 段 。其 中 沟 织 构 型 表 面 织 构 由 于 其 加 工 方 便 、 价格低廉等特点， 成为最具工业应用潜力的一种表 面 织 构 形 式 。运 用 A B A Q U S有 限 元 软 件 对 陶 瓷 材 料 织 构 表 面 在 织 沟 不 同 间 距 、 不同深度时的等效应力和接触温度 进 行 三 维 摩 擦 模 拟 分 析 。仿 真 结 果 表 明 ， 织构型非光滑表面的等效应力、 接触温度均相应小于光滑表面， 织构型表 面可以减少应力集中， 有 效 降 低 摩 擦 接 触 温 度 。对 研 究 织 构 表 面 变 形 机 理 和 进 行 变 形 预 报 有 一 定 的 借 鉴 意 义 。 关键词： 陶瓷； 表面织构； 等效应力； 接触温度； 有限元分析 中图分类号： T G 711; T H 117. 1 文献标识码： A 文章编号： 1008-9233 (2017)03-0042-08
1 . 1 材料属性参 数 设 置 [ 7 ]
1
A B A Q U S 有限元分析
通常的球-盘或者销-盘 接 触 ， 在受力的情况下，
接触面延展成一个近似的平面[4]。本文在分析计 算时， 对模型结构进行了简化， 对接触步长和滑动 速度方向进行了微分处理， 选择较短的一个滑动距 离作为计算模型[5]。 采用一个小圆盘在一个大长方体上滑动的简 化模型来模拟球-盘式摩擦接触行为， 并且球-盘的 变 形 均 在 弹 性 变 形 范 围 内 [5]。为 方 便 分 析 ， 将载 荷、 材料属性、 边界条件作为接触条件， 忽略接触中 涉及到的几何非线性和材料非线性问题， 使其归属 于纯边界非线性问题。这里主要考虑在干摩擦条 件下获得的模拟结果。 为了模拟复杂的摩擦状态， 本文采用修正的库 伦摩擦模型[6]， 即： f Tf= fia„ {Tf = Ts 〈 〒 S (滑动区） (粘结区）
来减小摩擦表面的粗糙度， 从而使表面尽可能光 滑 。然 而 ， 由于材料性质和加工精度的影响， 表面 粗 糙 度 始 终 受 到 限 制 。同 时 ， 越是光滑的摩擦表 面， 越不利于储存润滑油。 随着科学技术的飞速发展， 多种可实现精细加 工的技术被成功应用于表面工程中， 形成了表面织 构 （ Surface Texture ) 。它指在摩擦表面加工出具有 一定几何形貌ห้องสมุดไป่ตู้ 尺寸和分布规律的图案， 从而起到 改 善 摩 擦 副 表 面接触方式和润滑状态的作用。研 究表面织构在不同的工况条件和润滑方式下的工 作机理， 确定最优的表面织构设计方案， 对提高摩 擦表面的摩擦学特性有着较大理论和工程应用价 值， 对提高能源利用率、 延长机器的使用寿命、 环境 保护等均有着重要的意义。 已有的研究结果表明， 根据不同的工况条件和 润滑性能的要求， 通过对表面织构进行优化设计， 能够显著改善摩擦副表面的摩擦学性能。表面织 构技术日益引起了国内外摩擦学学者和工程师浓 厚的兴趣和广泛的关注， 已经成为摩擦学研究领域
上 试 样 材 料 为 AISI 1045M ， 弹 性 模 量 £： = 210GPa ， 材料密度 0=78901^/ m3， 泊松比 w=0. 30,热 传导率 43. 53 W/(m • ° C )， 比热容 474J/(kg • ° C )， 热膨胀系数11. 7 X 10_ 6/ r ;下 试 样 材 料 为 A 1 20 3,弹 性模量£ = 4 2 0 GPa ， 材料密度^ ^ AYSOkg/m3， 泊松比 w=0. 24,热传导率 16. 74 WAm • ° C )， 比热容 840J / (kg • r )， 热膨胀系数 8 X 1 〇 6/ r 。
收 稿 日 期 =2017-04-17 作者简介： 高健（ 1991 一 ） ， 男， 甘肃武威人， 助理工程师， 主要从事结构设计及制造工艺研究与有限元仿真研究。
第 3期 的热点[3]。
高健， 等 :基 于 A B A Q U S 的陶瓷表面织构化的三维摩擦仿真分析
43
下试样使用 Solidworks软件创建并导人， 整体尺寸与 光滑试样一样， 织构形貌尺寸与实际加工尺寸相同。 本研究仅选取典型模型， 如 图 1 所示。
1 . 2 网格划分
〇 引言
摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的 摩擦、 润滑和磨损， 以及三者间相互关系的基础理 论和实践的一门边缘学科， 旨在详细地了解表面的 相互作用规律， 然后在特定的应用中提出改进的方 法[1]。据 统 计 ， 世 界 上 使 用 的 能 源 大 约 有 1/3-1/2 消耗于摩擦。因此研究摩擦副表面间的摩擦学行 为， 无论在理论研究方面， 还是在工程实际应用方 面， 都具有十分重要的意义。 改善表面摩擦学性能的方法主要有润滑技术 和表面工程技术。润滑技术主要是利用润滑剂（ 液 体、 气体、 固体等） 将两摩擦表面分开， 避免两摩擦 表面间的硬性固相接触， 减小摩擦和磨损。表面工 程 技术是对工作表面预处理后， 通过 表 面 涂 覆 、 表 面改性或多种表面工程技术复合处理， 改变固体材 料表面的形态、 化学成分、 组织结构和应力状态等， 以获得所需表面性能的系统工程[2]。传统的表面 工程技术主要是利用抛光、 研磨等表面精加工技术
第 3 5 卷第 3 期 2017年5月
西安航空学院学报 Journal of Xi 7 an Aeronautical University
Vol. 35 No. 3 May. 2 0 1 7
基 于 A B A Q U S 的陶瓷表面织构化的 三维摩擦仿真分析
高 健
S 郭炳岐2
(1.航 天 科 技 集 团 公 司 四 院 四 十 四 所 ， 陕 西 西 安 710025; 2.航 天 科 技 集 团 公 司 四 院 四 ◦ 一 所 ， 陕 西 西 安 710025)