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ANSYS磨损分析

ansys 磨损分析理论

用有限元的方法模拟滑动摩擦磨损

摘要

磨损往往是影响产品寿命的一个主要因素。因此磨损预测就成为工程的一个重要部分。这篇论文介绍了用有限元软件ANSYS来模拟磨损的方法。用线性磨损定律和欧拉解析积分提出了一个模型化的模拟程序。然而, 还要考虑保证模型的正确性和数学方法的收敛性。分别用实验和有限元的方法分析了球形pin-on –disk系统在没有润滑条件下的接触问题,使用了Lim 和Ashby磨损图来区分磨损机理。在给定几何尺寸和载荷的条件下,可以用有限元的方法模拟磨损,得到磨损率对滑动距离的对应关系。有限元软件ANSYS非常适合解决接触问题和磨损模拟。实际磨损率的分布范围在±40-60%的界限内会导致磨损模拟结果相当大的偏离。因此这些结果必须在一个相对的值上进行估测,从而比较不同的设计。 关键词:磨损模拟;FEA;磨损试验;接触温度

1. 绪论

摩擦副之间最可靠的摩擦学行为的知识可以通过做磨损实验来获得。然而,当特别是设计改变时需要在日常的内部程序基础上进行迅速的估测。已经进行了大量的研究工作来帮助设计者实现这一步。

已经证实一个给定系统滑动磨损的主要参数是接触载荷和相对滑动速度。速度由机构运动来决定。系统载荷怎么影响接触应力是很复杂的一个问题。第一个分析两个弹性实体接触应力的人是赫兹。他认为接触体是弹性的,接触部分为椭圆形,而且没有摩擦的。这些假设被用在接触应力的计算中。磨损发生在机械构件相互接触时。一个重要的实际问题是在给定的时间里有多少的材料损失。由于功能和加工误差等表面的形状是不同的。而且会因为磨损和弹性变形而改变。因此压力的分配就依赖于这些条件。有限元的方法是一个通用的工具来解决应力应变的问题。这篇论文使用有限元软件ANSYS5.0A分析了接触压力和磨损模拟。

2. 磨损模型

磨损过程可以认为是动态的,由许多参数决定,这个过程的预测可以看作是一个初始值的问题。从而磨损率就可以由一个总的方程来描述。

dh/ds=f( 载荷,速度,温度,材料参数,润滑,….)

h为磨损深度(m),s为滑动距离(m)。文献中可以查到很多磨损模型。这些数学表达多种多样,从简单的经验式到复杂的依赖于物理概念和定义的方程[1]。常常包括特定的参数和变量,只有在特定的情况下是正确的,在手册中是查不到的。因此这些模型很少被用于实际中磨损的估测。

Lim和Ashby给出了钢板一个更广泛的在大范围载荷和速度下的磨损分类方法。他们的工作建立在简化磨损方程并在很多pin-on-disk实验数据的基础上进行调整。通过这个工作得到了一个磨损图,图1所示。给出了磨损机理的轮廓和无量纲化磨损率Õ, 作为无量纲化压力p和无量纲化速度v的作用结果,定义如下

ANSYS磨损分析

(1)

V为磨损体积(m3),A为接触面积(m),r0为接触半径(m),FN为载荷,H为接触对中较软材料的硬度(Pa),v为相对滑动速度(m/s)。表一列出了Lim和Ashby使用的方程和参数。

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