（载运工具运用工程专业论文）销盘滑动磨损试验的仿真方法研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要水 摩擦学仿真是现代信息技术和计算机仿真技术并结合各种数学方法在摩擦 学领域发展起来一门新的研究课题。由于实际摩擦学系统的复杂性和工况的不 同，使传统模拟试验方法获得的结果往往只是定性的，不能很好地应用于摩擦 学系统的设计和实际工程应用。有必要寻求新的方法和手段深入研究磨损的定 量规律，否则就不可能期望在磨损的预防与控制上取得根本性突破。本课题研 究的j 下是通过计算机技术和数学分析方法，选择销盘滑动磨损试验这类典型磨 损试验系统为研究对象，进行滑动磨损试验的摩擦学仿真研究，以期提供一种 新的磨损研究分析方法和相应的磨损仿真模型，实现基本的摩擦学接触问题和 磨损问题的仿真。 本文主要研究内容及结果如下： ( 1 ) 选择机械零件常用材料4 5 钢制作磨损试件，在m m w - i 立式万能摩擦 磨损试验机进行销盘滑动磨损试验。通过改变载荷、转速和热处理状态( 硬度) ， 获得了这些参数对磨损的影响规律。 ( 2 ) 在试验数据和理论分析基础上，建立了包含多个参数的磨损仿真模型； 用试验数据确定了模型的参数，并用试验数据对模型进行了验证，结果表明， 仿真模型基本能反映销盘干滑动磨损试验的输入输出关系。 ( 3 ) 在对摩擦副接触特性和接触应力计算理论分析基础上，推导了销盘接触 应力理论计算模型。利用a n s y s 软件分别对销盘接触副进行二维和三维的接触 应力模拟分析。有限元模拟分析结果表明，接触界面压力分布是不均匀的，接 触面中间接触压力小、边缘大，峰值达到外加载荷的2 7 8 6 倍。销盘接触由静态 变为动态时，接触应力场在形态和数值上都发生很大变化。三维和二维模型的 计算结果类似，只是在数值有少量变化。分析结果表明，a n s y s 有限元法可以 用来对理想接触状态进行模拟，便于从直观上分析销盘的受力状态和它的摩擦 磨损机理。 ( 4 ) 通过对销盘摩擦副试验工况条件的分析，建立起销盘试样摩擦表面温 + 本文得到湖北省自然科学基金( 编号2 0 0 2 a b 0 1 7 ) 资助 武汉理工大学博士学位论文 度及温度场分布的理论模型，对4 5 钢销盘销试样摩擦表面温度及温度场分布进 行模拟计算；并采用有限元法对摩擦表面温度场进行了仿真计算。计算结果 表明，一维温度场稳态理论模型及二维差分稳念模型计算结果一致；二维和三 维的有限元瞬态模型的计算结果进一步验证了一维稳态理论计算模型的可信 性。有限元计算结果表明，销盘摩擦副在滑动磨损过程中，从开始滑动4 0s 左 右，温度场达到稳态，沿销轴线方向，稳态温升基本呈线性分布；二维和三维 有限元模型计算的接触面最高温升基本一致； ( 5 ) 针对销盘干滑动磨损率试验数据，分别进行了一元非线性回归模型、 多元非线性回归模型和b p 神经网络模型研究。通过对不同函数类型的一元非线 性回归、多元非线性回归模型的分析，结果表明，指数回归模型的预测效果最 好。通过比较不同隐层接点数的网络模型的预测结果分析，发现隐层接点数在7 时，可获得较佳的预测结果，据此确定了网络模型的结构和具体参数。回归模 型和b p 网络模型都能够用来对销盘磨损率进行预测，但b p 模型预测的精度更 高。 关键词：摩擦学仿真；磨损模型；销盘磨损试验；温度场；应力场 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t r i b o l o g i c a ls i m u l a t i o nw a san e ws t u d yp r o b l e md e v e l o p e df r o mm o d e m i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nc o m b i n a t i o nw i 廿1a v a r i e t yo fm a t h e m a t i c a lm e t h o d si nt h ef i e l do ft r i b o l o g y d u et ot h ec o m p l e x i t yo f a c t u a lt r i b o l o g i c a ls y s t e m sa n dd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h er e s u l t so b t a i n e d f r o mt r a d i t i o n a ls i m u l a t i o nt e s tm e t h o dw e r eo f t e nq u a l i t a t i v eo n l y , a n dc o u l d n tb e u s e dt ot h ed e s i g n so ft r i b o l o g i c a ls y s t e ma n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h e r ei san e e dt os e e kn e ww a y sa n dm e a n so fi n d e p t h s t u d yo ft h ew e a r q u a n t i t a t i v el a w ，o t h e r w i s et h ef u n d a m e n t a lb r e a k t h r o u g ho ft h ep r e v e n t i o na n d c o n t r o lo ft h ew e a rc o u l dn o tb ea c h i e v e d t h et r i b o l o g i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h e t y p i c a lp i no nd i s cs l i d i n gw e a rt e s ts y s t e mw a sc a r r i e db yt h ea d o p t i o no fc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i sm e t h o d s , w i n lav i e wt op r o v i d ean e ww e a l a n a l y s i sm e t h o da n dt h ec o r r e s p o n d i n gw e a l s i m u l a t i o nm o d e la n dt oa c h i e v e s i m u l a t i o no f t h eb a s i ct r i b o l o g i c a lc o n t a c tp r o b l e m sa n dt h ew e a rp r o b l e m s t i 地c o n t e n ta n dr e s u l t so f t h i st h e s i sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a t e r i a l so f 4 5s t e e lc o m m o n l yu s e da sm e c h a n i c a lp a r t sw a ss e l e c t e d 鹬 w e a rs p e c i m e n sa n dt h ep i no nd i s c s l i d i n gw e a l t e s t sw e r ec a r r i e do n t h e m m w - 1v e r t i c a lu n i v e r s a lf r i c t i o na n dw e a rt e s tm a c h i n e b yc h a n g i n gt h e1 0 a d ， s p e e da n dh e a tt r e a t m e n ts t a t e ( h a r d n e s s ) ，t h ee f f e c tl a w s 0 nw e a ro f t h e s e p a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d ( 2 ) t h ew e a rs i m u l a t i o nm o d di n c l u d i n gm u l t i p l ep a r a m e t e r sw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ep a r a m e t e r so ft h em o d e l w e r ed e t e r m i n e db yt h et e s td a t aa n dt oa n dt h em o d e lw a sv e r i f i e db yt h et e s td a t a a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es i m u l a t i o nm o d e lc o u l dr e f l e c tt h eb a s i cr e l a t i o n s h i p b e t w e e ni n p u ta n do u t p u to ft h ep i no nd i s cd r ys l i d i n gw e a rt e s t ( 3 ) t h ec o n t a c ts t r e s st h e o r e t i c a lc a l c u l a t i n gm o d e lo ft h ep i no nd i s cw a s d e d u c e do nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fc o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t a c t s t r e s sc a l c u l a t i o no ft h ef r i c t i o n a lc o u p l e t h et w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a l 武汉理工大学博士学位论文 c o n t a c ts t r e s ss i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ep i no nd i s cc o n t a c tc o u p l ew e r ec a r r i e db y t h ea n s y ss o f t w a r e t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e i n t e r f a c ec o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw a su n e v e n ，c o n t a c tp r e s s u r ew a ss m a l li nt h e i n t e r s p a c eo ft h ec o n t a c ti n t e r f a c ea n dw a sb i ga m o n gt h ee d g eo ft h ec o n t a c t i n t e r f a c et h es m a l l ，t h ec o n t a c tp r e s s u r ep e a kr e a c h e d2 7 8 6t i m e so ft h el o a d n e n u m e r i c a lv a l u ea n dc o n f o r m a t i o no ft h ec o n t a c ts t r e s sf i e l da r i s e dg r e a tc h a n g e s w h e nt h ec o n t a c to fp i no nd i s kw a sc h a n g e df r o ms t a t i ct od y n a m i cs t a t e t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h r e e - d i m e n s i o n a la n dt w o d i m e n s i o n a lm o d e lw e r es i m i l a r ， o n l yas m a l la m o u n to fc h a n g ei nv a l u e 1 h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a ta n s y s f i n i t ed e m e n tm e t h o dc o u l db eu s e dt os i m u l a t et h ei d e a lc o n t a c ts t a t ea n di t f a c i l i t a t e dt h ea n a l y s i so fs t r e s ss t a t ea n df r i c t i o na n dw e a rm e c h a n i s mo ft h ep i no n d i s cf r o ma ni n t u i t i v ev i e w ( 4 ) t h et h e o r e t i c a lm o d e so fp i n - o n - d i s cs p e c i m e n sf r i c t i o ns u r f a c et e m p e r a t u r e a n dt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nw e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ht h et e s tc o n d i t i o n s a n a l y s i so ft h ep i n - o n - d i s cf r i c t i o nc o u p l e , t h ef r i c t i o ns u r f a c et e m p e r a t u r ea n d t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no f 4 5s t e e lp i ns p e c i m e nw a sc a l c u l a t e db yt h e o r e t i c a l m o d e s f r i c t i o ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l d sw e r es i m u l a t e da l s ob yf i n i t ee l e m e n t m e t h o d n ec a l c u l a t i n gr e s u l t so fo n e - d i m e n s i o n a ls t e a d y - s t a t et e m p e r a t u r ef i e l d t h e o r e t i c a lm o d e lo fa n dt w o d i m e n s i o n a ls t e a d y - s t a t ed i f f e r e n t i a lm o d e lw e r es a m e n l ec r e d i b i l i t yo fo n e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fs t e a d y - s t a t ew a sf u r t h e rv a l i d a t e db yt h e t w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lt r a n s i e n tf i n i t ed e m e n tm o d e lr e s u l t s t h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef r i c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep i no n d i s cf r i c t i o nc o u p l er e a c h e ds t e a d y - s t a t ea b o u t4 0 sa f t e rs t a r ts l i d i n gi nt h es l i d i n g w e a rp r o c e s s ，t h es t e a d y - s t a t et e m p e r a t u r er i s eb e h a v e db a s i c a l l yl i n e a rd i s t r i b u t i o n a l o n gt h ep i na x i sd i r e c t i o n , t h em a x i m u mt e m p e r a t u r er i s eo ft h ec o n t a c ts u r f a c e so f t h et w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e la r eb a s i c a l l yt h e s a m e ； ( 5 ) o n ed o l l a rn o n l i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l ，m u l t i v a r i a t en o n l i n e a rr e g r e s s i o n m o d e la n db pn e u r a ln e t w o r km o d e lw e r er e s p e c t i v e l ys t u d i e df o rt h ep i no nd i s kd r y s l i d i n gw e a rr a t ed a t a t l l ca n a l y s i sr e s u l t so fd i f f e r e n tt y p e so fo n ed o l l a rn o n l i n e a r r e g r e s s i o n ，m u l t i v a r i a t en o n l i n e a rr e g r e s s i o nm o d e ls h o w e dt h a tt h ef o r e c a s te f f e c t s i v 武汉理t 大学博+ 学位论文 o ft h ei n d e xr e g r e s s i o nm o d e lw e r et h eb e s t i tw a sf o u n dt h a tt h ef o r e c a s te f f e c t sw a s t h eb e s tw h e nt h en u m b e ro fp o i n t si nh i d d e nl a y e rw a ss e v e nb yc o m p a r i n gf o r e c a s t r e s u l t st h ed i f f e r e n tn u m b e ro fp o i n t so fh i d d e nl a y e ro ft h en e t w o r km o d e l ， a c c o r d i n g l yt h e s t r u c t u r eo ft h en e t w o r km o d e la n ds p e c i f i cp a r a m e t e r sw e r e d e t e r m i n e d t h er e g r e s s i o nm o d e la n db pn e t w o r km o d e la l lc o u l db eu s e dt op r e d i c t t h ep i no i ld i s kd r ys l i d i n gw e 冒t rr a t e ，b u tt h eb pm o d e lf o r e c a s tw e r em o r ea c c u r a t e k e yw o r d s ：t r i b o l o g i c a ls i m u l a t i o n ；w e a l m o d e l ；p i no nd i s kw e a l t e s t ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：超2 丑日期：z 三翌茎：2 乡 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名)：三甥师( 签名)： 研究生( 签名) ： 鐾型喹拇师( 签名) ： 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 摩擦学仿真及意义 磨损是摩擦学研究中的重要领域之一，它是相互接触的物体在相对运动中表 层材料不断损伤的过程，是伴随着摩擦而产生的必然结果。磨损问题引起人们极 大的重视，这是由于磨损所造成的损失十分惊人。根据统计，机械零件的失效主 要有磨损、断裂和腐蚀三种方式，而磨损失效却占6 0 - 8 0 t 。因而研究磨损 机理，从而寻求控制磨损和提高耐磨性的措施将有效地节约材料和能量，提高机 械装备的用性能和寿命，减少维修费用，这对于国民经济具有重大意义。随着现 代科学技术的迅速发展，机械装备的磨损问题已成为薄弱环节，特别是高速、重 载、精密以及特殊工况的机械对于磨损研究提出了更迫切的要求。 多年来，国内外摩擦学界在磨损机理的研究，磨损表面形态的分析等方面进 行了大量卓有成效的工作，但由于实际磨损现象的多样性和复杂性使得磨损的研 究方法主要集中在试验测试，即按照某种标准试样以某种恒定的载荷在专门的试 验机上进行大量模拟性试验来进行经验性的探索，耗费大量的时间、人力、物力 和财力。且这些试验往往只是针对某种具体零件材料和某种特定简单工况而进行 的规律性试验研究，或者说只注重磨损过程的初始和结束两种状态，而对复杂的、 时变渐进的动态磨损问题至今还难以清楚地了解其从始至终的全过程。而由于实 际摩擦学系统的复杂性和工况的不同，使这些模拟试验方法获得的结果往往只是 定性的，还不能很好地应用于摩擦学系统的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。有必要寻求更新的方法和手段深入研究磨损 的定量规律，否则就不可能期望在磨损的预防与控制上取得根本性突破【2 棚。 数值仿真技术是数值计算理论和计算机技术相结合而发展起来的一种新技 术，在众多工程领域中发挥了重要作用。它的实质就是将连续的过程离散化， 从而使复杂的动态问题转化成较简单的准静态问题。在工程设计过程中，数值 仿真方法可以进行各种方案和参数的筛选，甚至一些无法用理论分析和试验方 法解决的复杂问题也可以用数值计算的方法来完成，并可大大缩短新技术的开 武汉理工大学博十学位论文 发和生产周期。而且对于不同条件( 如材料、载荷、温度、工作条件等) 下的 同类问题，只须改变仿真模型的参数，就能够获得相应的仿真结果。 摩擦学仿真是现代信息技术和计算机仿真技术并结合各种数学方法在摩擦 学领域发展起来一门新的研究课题。正是由于数值仿真方法的这些优点，国内 外已有一些学者将数值仿真方法用于摩擦学的研究，如磨料磨损1 4 j 、机械零件的 磨损寿命预测【5 卅滚动接触磨损【7 8 】等。但这些研究都很不系统，它们都是在经典 的摩擦学理论以及现有的经验基础上针对某种特定工况、特定机械零件开展工 作的。这些研究结果还不具有通用性。有关典型通用磨损试验方法的数值仿真 研究还未见文献报道。 本课题研究的正是通过计算机技术和数学分析方法，对基于销盘滑动磨损 试验的摩擦学仿真作探讨，以期提供一种新的磨损研究分析方法和相应的磨损 仿真模型，实现基本的摩擦学接触问题和磨损问题的仿真。 1 2 摩擦学仿真研究现状 1 2 1 磨粒磨损的数值仿真 磨粒磨损是指外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物在摩擦过程中引起表 面材料脱落的现象【1 1 。关于磨粒磨损的理论基础是r a b i n o w i c z 的理想化的经典 模型。在此基础上，许多文献【9 - 1 4 】分别从不同角度研究了单颗粒磨料在平滑表面 上的磨损过程，但这些模型的预测磨损率与试验值相差较大，不能用于实际的定 量研究。 表面形貌对摩擦副的性能影响很大，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。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。西安交通大学较早开展了这方面的研究。张波 和谢友柏等【1 5 - 2 2 】采用随机过程理论提出了描述两体磨损过程中摩擦副表面形貌 变化的磨损动态过程理论，建立了软表面被硬表面微切削磨损过程中软表面粗糙 度及磨损量的预测模型，模型中假设参加磨损的硬表面是绝对硬的刚体，它不会 变形，也不会磨损。实际上，许多摩擦副往往不能被抽象成一个绝对硬表面和一 个绝对软表面，而是工作过程中两个表面均发生磨损。刘峰壁等【2 3 】在张波等人 研究基础上建立了一个两体磨损过程中两磨损表面均发生磨损的表面粗糙度及 2 武汉理工大学博士学位论文 磨损量的预测模型。在摩擦副中，除两体磨损外，往往还存在三体磨粒磨损。文 献【2 4 】对粗糙表面三体接触进行了理论分析，建立了数学模型，用此模型对三体 接触中接触副两表面间距离、塑性变形量与第三体磨粒粒度分布、外载荷、接触 副表面微观几何参数及材料硬度间关系进行了分析。在文献【2 4 】基础上，文献 2 5 】 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，有的磨粒不参与磨损过程，具 有统计学特征。j a c o b s o n 掣2 6 】建立了两维磨损面内仅限于纯切削过程的统计学 模型，在模型中考虑了多个磨粒同时作用的影响，从而使它更接近于实际情况。 文中利用该模型研究了磨粒尺寸、载荷、工件表面硬度对磨损率的影响，预测了 接触的磨粒数量和磨损表面形貌，并与其它研究试验结果进行对比，验证了模型 的有效性。j i a n g 等【2 7 】在j a c o b s o n 模型基础上对其进行了修正，在该修j 下模型 中考虑了被磨表面形貌变化以及磨损模式改变对磨损过程的影响。p o d r a , 等【2 8 】 建立锥形接触时考虑表面形貌的磨粒磨损模型，用有限元和解析两种方法对磨损 进行了计算，但两种方法计算结果相差较大，分析认为产生差异的原因是在解析 方法中没有考虑弹性变形的影响。p e t e r s e i m 掣2 9 】建立了一个在砂纸上进行磨损 试验的数值仿真模型，并研制了仿真计算的计算机程序。l i 等【3 0 】建立了一个微 观动态磨损仿真模型，用此模型来模拟磨损过程和预测磨损过程中材料性能的变 化。在这个模型中，材料被离散为一个个离散的格子，每一个格子的位置代表一 个很小的体积单元，在磨损过程中，格子位置在外力作用或在相临格子相互作用 下会移动。格子位置之间的相互作用是材料力学性能( 如弹性模量、屈服强度、 拉伸强度、韧性和加工硬化性能等) 的函数。格子位置的运动和轨线遵循牛顿运 动定律，不考虑格子之间的弹性应变，只考虑塑性应变，当两个格子之间的塑性 应变超过临界应变值，格子之间的联系被打破。当一个格子点与和它相邻的格子 点之间的联系全部打断，这个格子点或一簇格子点被认为磨损掉。外部载荷、变 形速率以及磨粒的性能都影响材料的磨损失重，并用这个模型研究了铜、钢、钼 和其它一系列耐磨钢材料。e l a l 锄【3 i 】用这个模型研究了几种金属材料的磨粒磨 损，且仿真结果与试验观测结果比较一致。c h e l a 等【3 2 - 3 3 】用这个模型研究了冲蚀 磨损的计算机仿真。b r o w n 等【捭3 5 】用流体动力学方法建立了含有固体颗粒的两相 流体的冲蚀磨损预测模型。n i c h o l l s t 3 6 】用m o n t ec a r l o 方法模拟材料冲蚀磨损过 程的随机特征。在这个模型中，分别考虑了磨粒的性能、材料的表面状态、局部 动态冲蚀环境因素，并且对于某中特定的冲击状态，允许选择合适的冲蚀模型。 3 武汉理t 大学博士学位论文 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，用m o n t e c a r l o 方法来计算离散冲击状态下每一次离散冲击事件的磨损量，最后总的磨损 量由所有离散冲击事件所造成的磨损量的和确定。吴国清等1 3 m 川将m o n t ec a r l o 方法与数值模拟相结合，提出了一个两体磨料磨损的三维仿真模型。在该模型中， 将磨粒表面简化为刚性面，认为在磨损过程中磨粒的外形、磨粒之间的相对位置 不发生变化，并提出确定两体磨损量计算的假设：由于切削和塑变，将形成犁沟 和挤到两边的脊，犁沟所造成的体积损失与脊的体积之差即为磨损的体积损失。 并用该模型讨论了磨粒的粒度、尖锐度和圆锥度对磨损率的影响，结构表明粒度、 尖锐度和圆锥度相互影响，共同决定了磨粒的尺寸效应。s e r r r e 等【4 0 】将边界元方 法用于磨粒磨损试验的模拟，提出了算法方案并进行了实例验算。 综上所述，磨粒磨损的仿真研究主要集中在两体磨损的磨损表面形貌和磨损 的预测，对三体磨损研究关注不够。与经典的磨损计算方法相比较，将随机过程 理论和统计学原理引入磨粒磨损仿真研究是一个比较大进步，也是未来发展的趋 势。在这些模型中，有的还有待进一步试验验证，有的理论预测值与试验值相差 较大。模型预测值与试验值相差较大的原因，主要是模型中考虑的影响因素不够 ( 如只考虑纯切削而没考虑塑性变形等) ，为了更精确地模拟两体磨损过程，需 引入更多的影响因素以综合考虑整个磨损过程。 1 2 2 疲劳磨损的数值仿真 疲劳磨损是指两个相互滚动或滑动或滚动兼滑动的表面，在循环变化的接触 应力作用下，在其相互作用表面的局部地区引发裂纹，并逐步扩展，最后使裂纹 以上的材料剥落下来的磨损过程【2 1 。在各种磨损形式中，都不同程度地存在疲劳 过程，它是一种相当普遍的磨损形式。对疲劳磨损的研究一直受到普遍的关注。 f r a n k l i n 等【4 l 】建立了一个韧性金属材料在经受循环滚动接触情况下的表面 剥层磨损模型。该模型将材料划分为许多层，近表面的层可以累积很高的塑性剪 切应变，每一层累积的剪应变取决于该层所在深度的应力，一旦一层的累积塑性 变形超过一个临界值，则认为该层材料脱落下来，形成磨屑。利用力学原理，可 以将材料的磨损率与载荷、接触体的粗糙度、表面层材料的弹塑性性能联系起来， 并将该模型在计算机上进行仿真来计算每经过一个摩擦循环后，材料表面的磨损 深度。文献【4 2 1 在f r a n k l i n 的模型基础上进一步完善，允许材料性能随着离表层 深度的不同而变化，如韧性、剪切强度等。这进一步反应了真实材料由于微观结 4 武汉理工大学博十学位论文 构变化而引起的材料性能的统计变化。对于滚动接触疲劳，韧性耗尽意味着微裂 纹的产生，但这也是材料表面磨损掉的原因，因此在该模型中将材料假设为砖块 结构，每一个材料砖都有可能失去完整性而失效。失效的材料砖是形成磨屑还是 形成微裂纹取决于失效的材料砖块是否完全失去周围其它砖块的支撑。k a p o o r 等【4 3 舶】提出在滑动磨损情况下剥层磨损模型，在模型中推导出磨损率与载荷的 1 5 次方成比例。m o l i n a r i 等【47 】对a r c h a r d 的磨损公式进行改进，允许材料的硬 度随着温度的变化而变化，利用有限元方法模拟了金属材料在干滑动磨损情况下 的磨损。 f l a s k e r 等【4 8 郴】建立了一个机械零件遭受滚动和滑动接触时表面疲劳点蚀的 仿真计算模型。该模型认为导致点蚀的裂纹起源于接触面下最大接触应力处，假 设这时是带有摩擦力的h e r t z 接触状态，最大接触应力的位置和幅值利用有限元 方法计算。当最大应力超过局部的材料强度时，认为起始裂纹沿着滑移线进行扩 展，从起始裂纹到表面点蚀产生的疲劳裂纹扩展的二维模型采用有限元分析的虚 拟裂纹扩展方法。通过仿真，研究了在不同接触表面和接触载荷下点蚀的形状以 及应力强度因子与裂纹长度的关系。并将该模型用于两个啮合齿轮齿的表面点蚀 仿真，仿真所预测的点蚀形状与试验观察结果相当一致。 文献 5 0 1 用有限元方法研究了涂层材料在遭受摩擦接触载荷下疲劳裂纹的 形成和扩展过程。k o m v o p o u l s 等【5 i 】用有限元方法研究了在一个微凸起移动接触 情况下亚表层裂纹的扩展情况。r i n g s b e r g 等【5 2 】用有限元方法对轮轨滚动接触疲 劳情况下疲劳裂纹的起始进行了预测。文献 5 3 1 用断裂力学方法分析了在滚动接 触过程中应变硬化层对于点蚀形成的作用。用两维有限元方法计算了i 型和l l 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观察结果相当吻合。 林刚等【5 4 】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 值积分求出接触面附近区域的应力曲线，利用所作的应力曲线进一步研究了疲劳 磨损，剥层磨损和压碎磨损的形成机理。f l e m i n g 等【5 5 1 用线弹性断裂力学提出了 亚表层裂纹平行于磨损表面并沿与滑动方向相反方向扩展的模型，在接触区前 方塑性变形区受压缩应力作用使裂纹闭合，在接触区后方受拉伸应力作用，裂纹 才得以扩展，而且扩展方向总是平行于表面。文献 5 6 】认为对复合加载条件下( 正 压力和摩擦力) 的裂纹应当属于复合型裂纹( 即i 、i i 复合型) ，他研究了陶瓷材料 在滑动磨损条件下受压缩和剪切复合应力作用时的应力分布：通过试验证明并 用断裂力学的最大周向应力准则判定复合型裂纹的扩展规律，裂纹扩展的启裂 5 武汉理工大学博十学位论文 方向在裂纹面之外，并首先在接触区后方向磨损表面扩展。k i m u r a 等【5 7 基于磨 损的剥层理论提出一个纵向点接触模型评价裂纹尖端的应力强度因子( ki 、 五i i 、局i i ) ，用有限元法计算钢和s i3 n 4 材料i 形和l 形两种裂纹扩展的丘i 、 k l l 和1 1 1 分布及其最大值。文献 5 8 】用有限元法模拟了滑动磨损中磨粒接触的以 i 型断裂为主导的裂纹扩展行为结果表明在表面下靠近每个磨粒的接触区后 方拉应力达到最大值时裂纹从表面萌生应力强度因子ki 随摩擦力的增大而增 大，在与滑动方向大致成13 5 0 处达到最大值；裂纹扩展进入亚表层，在复合载荷 作用下裂纹在一临界深度沿与滑动平行的方向移动，最终遇到另一裂纹形成片 状剥层。文献 5 9 1 用两个圆柱体接触的等效模型借助于有限元法确定应力强度因 子与裂纹长度的定量关系，研究了齿轮齿侧面点蚀磨损，数值模拟和试验结果相 比致。文献【6 0 】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 用下的亚表层裂纹的开裂行为分别用应力强度因子最大幅度值k i 和a k l l 来预测裂纹的扩展方向即裂纹面内扩展的发生是由于剪切机制，而拉伸机制可 能使裂纹发生面外扩展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 型与型裂纹扩展方向的影响。z h a n g 等人【6 i 】用有限元法和 最大拉应力准则分析了往复滑动接触时均匀无限大半平面的两个表面裂纹扩展， 研究了两个裂纹之间存在的相互屏蔽效应随裂纹间距变小而增大且导致裂纹 尖端的应力强度因子减小，论述了裂纹首先受ki 控制，以与表面垂直的方向向 材料内部扩展，一旦达到临界深度，裂纹将受k i ! 控制沿+ 7 0 5 0 或7 0 5 0 方向进一 步扩展。文献1 6 2 1 用有限元法研究了具有弹塑性特性的硬面材料( 钢表面的铬镀层) 被弹性球形压入体压入在加载和卸载过程中的应力状态，分析了硬镀层将受载 荷发生的变形传递给软基体的特征，以及铬镀层厚度对应力的影响，很好地解释 了相关镀层断裂或剥层的试验现象。o n e i l 等人用有限元法并结合界面断裂力学， 研究了脆性镀层材料( 镀层t i c ，基体w ct i ct a cc o ) 的两种裂纹( 垂直缺陷裂纹 和平行缺陷裂纹) 在正压力和摩擦力作用下，将在镀层、基体及界面启裂、扩展 随后断裂，或三者联合发生的情形，验证了材料缺陷取向对裂纹行为的影响，并 与无镀层基体材料作了比较，结果表明，无镀层基体材料的缺陷裂纹的扩展行为 与初始缺陷取向无关；脆性镀层材料的裂纹，不论裂纹的初始取向如何，都先扩展 至界面并被包容，然后在l l 型裂纹条件下继续沿界面扩展【6 3 】。c a r e 等人用有限元 法建立了受球体压入的平面的弹塑性压痕响应模型分析了玻璃、陶瓷等材料亚 表层发生类似于延性材料的剪切驱动累积破坏，相应的压痕应力场有可能作为 6 武汉理工大学博士学位论文 判断裂纹路径的信息脚l 。文献【6 5 】考虑摩擦和弹塑性等因素，用有限元法通过计 算j 积分值分析了半无限大平面内的单个垂直表面裂纹的裂纹扩展角，即裂纹 易于沿与滚动方向成4 5 0 和1 3 5 0 角方向扩展，并描述了裂纹尖端塑性区对裂纹扩 展方向的影响。结果表明比用临界应力强度因子( k ic 、k i ic ) 评价i 型和i i 型裂 纹的扩展有更多优点。d i n g 等人用j 积分理论借助于弹塑性有限元分析了滚滑 接触时齿轮轮齿节线下亚表层裂纹的扩展和弹塑性材料的断裂行为，研究结果 表明裂纹方向与滚动方向的夹角在接触区后缘为1 2 3 3 0 ，而在接触区前缘为5 0 0 ， 接触区后缘的最大切应力分布是导致发生带状剥落的关键 6 6 1 。文献【6 7 】通过试验 研究了因往复滚动和滑动接触引起的齿轮与轴承表面疲劳破坏，最终形成表面 剥落凹坑的失效机理，并通过计算j 积分值确定应力强度因子判定疲劳裂纹扩 展方向和扩展速率。 综上所述，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。疲劳 磨损是一个相当复杂的过程，影响因素众多，要更精确地预测疲劳磨损过程裂纹 的发生和扩展行为，建立切合实际的疲劳磨损力学模型是关键，其次是确定合理 的有限元分析模型。 1 2 3 磨损表面形貌的数值仿真 在摩擦磨损仿真研究中，首先应确定接触表面的形貌。目前，表面形貌主要 是应用随机过程理论和统计学原理进行数值模拟，尽量使模拟表面与真实表面有 类似的统计学特征。黄逸云等嘲- 6 9 提出了一种随机表面形貌的计算机模拟方法。 只要输入幅值分布的前四阶和表面不同方向的自相关函数值，便可以在计算机中 模拟出具有所希望的统计特征随机表面形貌。通过控制产生不同的自噪声序列， 即可产生大量形状不同但统计特征相似的模拟表面。吴国清等【3 7 - 3 9 用m o n t e c a r l o 方法模拟随机的砂纸表面。g u 等f _ 7 0 】研究了一种真实表面的仿真方法，该 仿真表面与真实表面有类似的统计特征，只要将真实表面不同方向的轮廓参数输 入计算机后即可获得模拟表面，仿真结果与实际表面在统计意义上一致。 m a j u m d a r 掣7 i 】从实验结果分析认为粗糙表面具有分形特征，提出分形维数的确 定方法，并用w e i e r s t r a s s m a n d e l b r o t ( w - m ) 分形函数来模拟粗糙表面。除此以外， j o n g l 7 2 】用快速傅单叶变换方法来模拟具有给定自相关函数的表面，y o n g 等【7 3 谰 神经网络方法来模拟磨损表面。 7 武汉理工大学博+ 学位论文 1 2 4 数值仿真在实际零件磨损研究中的应用 除了前面介绍的磨损仿真的理论研究，磨损仿真在实际摩擦副磨损研究中也 获得了一些应用。 l u n d v a l l 等f 7 4 】研究了两个弹性体在接触过程中磨损的计算，用有限元法对 弹性体进行离散化处理