第24卷 第2期摩擦学学报Vol24, No2 2004年3月TRIBOLOGY March,2004磨损数值仿真技术的研究进展汪选国,严新平,李涛生,吴 刚(武汉理工大学可靠性工程研究所,湖北武汉 430063)摘要:综述了近年来国内外磨损数值仿真技术研究进展和现状,重点评述了数值仿真方法在磨粒磨损、疲劳磨损、磨损表面形貌模拟和实际摩擦副磨损研究方面的应用.指出磨粒磨损仿真主要集中于二体磨损的磨损表面形貌分析和磨损预测;疲劳磨损仿真主要集中基于断裂力学方法的建模以及基于有限元方法的参数定量计算和疲劳裂纹行为数值模拟;实际摩擦副磨损仿真主要侧重于齿轮、凸轮和缸套 活塞环等典型摩擦副的磨损研究.就当前磨损数值仿真研究的主要问题和发展方向提出了建议.关键词:磨损仿真;磨粒磨损;疲劳磨损中图分类号:TH117.3文献标识码:A文章编号:1004 0595(2004)02 0188 05多年以来,摩擦学界在磨损机理、摩擦学系统分析理论与方法、磨损表面微观分析等方面进行了大量的研究[1~3].但磨损研究方法大多集中于实验研究,即要求针对某种标准试样,以某种选定的试验条件在专门的试验机上进行大量模拟试验,以进行经验性探索[4].这种实验研究方法耗费大量时间、人力、物力和财力,而由于实际摩擦学系统的复杂性和不同工况,某些模拟试验结果不能很好地用于摩擦学系统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[4].而数值仿真技术可以弥补这些不足,为摩擦学研究提供了一种新的手段[4~7].将数值仿真技术用于摩擦学系统研究,在分析和研究摩擦学系统的基础上建立仿真模型,进而利用计算机对模型进行改进和完善,将显著提高摩擦学研究的效率和摩擦学系统特性预测的准确性[4].本文概述了当前磨损数值仿真技术研究的进展和现状,并提出今后的研究方向.1 磨粒磨损的数值仿真磨粒磨损指外界硬颗粒或对摩表面硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象[1].Rabinowicz 建立了关于磨粒磨损的经典模型[2],有关磨粒磨损的仿真研究大多立足于该经典模型.表面形貌对摩擦副性能的影响很大,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[8].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.Zhang 等[9~11]基于随机过程理论提出了描述二体磨损过程中摩擦副表面形貌变化的磨损动态过程理论,在此理论基础上建立了软表面受硬表面微切削时表面粗糙度及磨损量的预测模型;该模型假设硬表面是绝对硬的刚体,不发生变形或磨损.刘峰壁等[8,12,13]在Zhang等的研究基础上建立了用于预测二体磨损过程中两磨损表面均发生磨损时的表面粗糙度及磨损量的模型;针对粗糙表面三体接触建立了数学模型,分析了三体接触中接触表面间距离和塑性变形量同第三体磨粒粒度分布、外载荷、接触表面微观几何参数及材料硬度之间的关系;并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,有的则不参与,表现出统计学特征.Jacobson等[14]建立了考虑多个磨粒同时作用的纯切削过程的统计学模型,利用该模型研究了磨粒尺寸、载荷及工件表面硬度对磨损率的影响,预测了发生接触的磨粒数量和磨损表面形貌.Jiang等[15]对Jacobson等的模型进行了修正,从而使得修正模型能够反映磨损表面形貌变化及磨损模式对磨损过程的影响.Podra等[16]建立了锥形接触时考虑表面形貌影响的磨粒磨损模型,并利用有限元法和解析法计算了相应的磨损,发现由2种计算方法得到的结果相差较大,并指出其原因可能在于基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2002AB017).收稿日期:2003 05 29;修回日期:2003 09 02/联系人严新平,e mail:xpyan@mail.w .作者简介:严新平,男,1959年生,博士,教授,博士生导师,目前主要从事设备诊断工程、摩擦学技术应用和智能交通等方面的教学与科研工作.采用解析方法时未考虑弹性变形的影响.Peterseim 等[17]针对销 盘摩擦磨损试验数值仿真建立了模型,并开发了仿真计算的计算机程序;通过改变材料和试验的输入参数(销的结构、试验时间、载荷、试盘或砂纸特性参数等),可以计算磨损体积损失和磨损表面形貌参数.Li等[18]建立了微观动态磨损仿真模型,用以模拟磨损过程和预测磨损过程中材料性能的变化. Elalem等[19]利用该模型研究了几种金属材料的磨粒磨损性能,发现理论分析结果同试验结果相一致. N icholls等[20]用M onte Carlo方法模拟材料冲蚀磨损过程的随机特征,通过采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,并计算每一次离散冲击磨损量以确定由所有离散冲击所造成的总磨损量.吴国清等[21,22]将M onte Carlo方法与数值模拟相结合,提出了二体磨料磨损的三维仿真模型,并利用该模型分析了磨粒粒度、尖锐度和圆锥度对磨损率的影响,发现粒度、尖锐度和圆锥度相互影响并共同决定磨粒的尺寸效应.综上所述,目前关于磨粒磨损的仿真研究主要集中于二体磨损的表面形貌和磨损预测,对三体磨损的仿真研究较为欠缺.同经典磨损计算方法相比,在磨粒磨损仿真研究中引入随机过程理论和统计学原理具有明显的优势.为了更精确地模拟二体磨损过程,需引入更多的影响因素以综合考虑整个磨损过程.2 疲劳磨损的数值仿真疲劳磨损指2个相互滚动、滑动或滚动兼滑动的磨损表面在循环接触应力作用下局部引发裂纹,裂纹逐步扩展,最后导致材料剥落的磨损过程[3].在各种磨损形式中都不同程度地存在疲劳过程,因此对疲劳磨损的研究一直受到广泛关注.Kapoor等[23]建立了韧性金属材料在循环滚动接触时的表面剥层磨损模型,并利用力学原理,将材料的磨损率同载荷、接触体的粗糙度、表面层材料的弹塑性联系起来,通过计算机仿真计算得到材料表面的磨损深度;但该模型没有考虑塑性变形导致的材料性能变化.为此,Franklin等[24]对上述模型进行了改进和完善,从而可以较为真实地反映微观结构变化而引起的材料性能的统计变化.Flasker等[25,26]针对机械零件滚动和滑动接触时表面疲劳点蚀建立了仿真计算模型,并研究了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同裂纹长度的关系,并将该模型用于2个啮合齿轮齿的表面点蚀仿真.O Neil等[27]用有限元方法研究了涂层材料在不同接触载荷下疲劳裂纹的形成和扩展过程.Chue 等[28]用断裂力学方法分析了滚动接触过程中应变硬化层对点蚀形成的作用,用二维有限元方法计算了 型和 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结果吻合.林刚等[29]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表面附近区域的应力曲线,进而研究了疲劳磨损、剥层磨损和压碎磨损机理.Fleming 等[30]利用线弹性断裂力学方法研究了亚表层裂纹沿滑动反方向扩展的模型,指出在接触区前方塑性变形区受压缩应力作用导致裂纹闭合,在接触区后方塑性变形区受拉伸应力作用导致裂纹扩展.Kimura等[31]基于磨损的剥层理论提出用纵向点接触模型评价裂纹尖端的应力强度因子(K 、K 、K ),并利用有限元法计算了钢和Si3N4的I形和L形裂纹扩展应力强度因子K 、K 、K 分布及其最大值.Ghorbanpoor 等[32]用有限元法模拟了磨粒磨损中以 型断裂为主导的裂纹萌生和扩展行为,发现应力强度因子K 随摩擦力的增大而增大,在与滑动方向大致成135 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某一临界深度沿滑动平行方向移动,最终遇到另一裂纹而发生片状剥层.Glodez等[33]用有限元法计算分析了基于圆柱体接触等效模型的应力强度因子同裂纹长度的定量关系,并对齿轮齿侧面的点蚀磨损进行了数值模拟研究.Komvopoulos等[34]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扩展行为,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 型和 型裂纹扩展方向的影响.Zhang等[35]用有限元法和最大拉应力准则分析了往复滑动半平面的表面裂纹扩展,发现裂纹屏蔽效应随裂纹间距减小而增强.此外,很多研究者将线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学与有限元方法相结合来建立仿真模型,并利用仿真模型研究了磨损过程中疲劳裂纹的扩展行为.总体而言,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.由于疲劳磨损过程相当复杂,影响因素众多,必须建立切合实际的疲劳磨损力学模型.3 磨损表面形貌的数值仿真在磨损仿真研究中,首先应确定接触表面的形貌.目前,主要应用随机过程理论和统计学原理对表189第2期 汪选国等: 磨损数值仿真技术的研究进展面形貌进行数值模拟,以保证模拟表面与真实表面具有类似的统计学特征.黄逸云等[36,37]提出了关于随机表面形貌分析的计算机模拟方法.吴国清等[21,22]用Monte Carlo法模拟随机砂纸表面.Gu等[38]研究了真实表面的仿真方法,该仿真表面与真实表面的统计特征类似,只要将真实表面不同方向的轮廓参数输入计算机即可获得模拟表面,仿真结果与实际表面具有统计学上的一致性.M ajum dar等[39]指出粗糙表面具有分形特征,并用Weierstrass Mandelbrot(W M)分形函数来模拟粗糙表面,提出确定分形维数的方法.4 数值仿真在磨损研究中的应用除了前述有关磨损仿真的理论研究外,磨损仿真在实际摩擦副的磨损研究中也得到了应用.Lundvall 等[40]研究了2个弹性体接触时的磨损计算,并将相关结果应用于齿轮的仿真计算,发现齿轮的主要磨损形式为轻微磨损;这种轻微磨损可导致齿轮表面形貌和尺寸变化,引起齿轮的不均匀啮合甚至断裂失效. Flodin等[41]针对齿轮轻微磨损预测建立了数值仿真模型,指出可以将整个仿真过程视作初始值问题,而由于每一个啮合周期都会产生一定的磨损而使表面尺寸发生改变,故总的磨损是所有啮合周期所产生的磨损的总和.Olofsson等[42]研究了圆柱推力轴承在边界润滑状态下的磨损仿真,并用试验数据验证了仿真结果.江亲瑜等[4,5]利用离散数学理论,将数值方法和计算机相结合,提出了摩擦副磨损全过程的动态数值仿真模型,并用该模型研究了凸轮和齿轮的光面磨损,开发了相应的仿真计算软件.严立等[6]提出了利用智能仿真技术求解磨损问题的方法.他们在磨损试验、机理研究和系统分析的基础上,采用模糊推理和智能仿真方法对磨损状况进行演绎,利用有关基础理论、试验资料和经验知识,建立了包含灰匣、黑匣以及推理机构的框形综合仿真模型,进而评价系统的耐磨性能,预测其发生故障的可能性及使用寿命.他们还以船用柴油机缸套活塞环系统为例,通过摩擦学系统分析建立了仿真模型,并实现了计算机求解.潘尔顺等[43]从边界元的基本思想出发,将渐开线直齿圆柱齿轮简化为端面进行分析,从而将空间啮合问题简化为平面啮合问题,将边界曲线离散成许多的单元和结点,以计算任意啮合点的磨损量.左玉梅等[44]以凸轮挺柱为研究对象,在Archard模型基础上,考察了表面形貌对凸轮摩擦磨损性能的影响,并建立了内燃机凸轮挺柱在边界润滑状态下的摩擦磨损数学模型,提出了计算方法.孔凌嘉等[45,46]结合润滑状态建立了同时考虑边界润滑状态下二体磨损和三体磨损的内燃机缸套 活塞环系统的综合磨损模型,该模型可反映磨粒大小、分布及浓度对磨损的影响.刘[47]将系统分析方法和摩擦学行为相结合,以Archard磨损模型和系统论为基础,研究了磨粒浓度对缸套 活塞环磨损的影响,并基于台架试验结果建立了描述磨粒浓度动态变化对磨损影响的传递函数模型.在工程应用领域,关于摩擦副磨损仿真的研究主要着眼于齿轮、凸轮和缸套 活塞环系统.相关研究以Archard磨损模型为基础,并在仿真计算过程中适当考虑磨损过程中表面形貌和接触应力的变化.5 结束语数值仿真方法作为新的磨损研究手段和方法已引起摩擦学界的重视,并将发挥越来越重要的作用.目前关于磨损仿真研究的主要不足在于:磨损仿真模型预测结果同实际情况相差较大;建立仿真模型时的简化处理导致模型精确度不够高;利用Archard等经典磨损模型进行仿真计算时缺乏关于材料磨损率规律的准确数据.磨损仿真结果的可靠性和实用性在很大程度上取决于磨损模型的正确性和精确性.为了更好地发挥数值仿真方法在摩擦磨损研究中的作用,应在深化磨损机理研究、摩擦学系统分析方法及磨损表面微观分析的基础上建立更加完善和切合实际的磨损模型,并通过大量实验研究确定关于磨损率规律的准确数据.目前摩擦学仿真应用大多集中于特定的单个零件或摩擦副磨损的研究.今后应大力加强以下几方面的研究.首先,应加强磨损机理的仿真研究,并通过建立仿真模型以及进行理论和实验研究结果对比验证已有理论的正确性.其次,应在利用成熟的理论和模型的基础上实现磨损研究的定量化,以指导产品设计、零件优化设计、材料选择、寿命设计以及耐久性设计等.第三,应在仿真计算过程中考虑多因素的影响,以提高仿真结果的准确性和可靠性.第四,应该加强典型磨损试验的仿真研究,以减少磨损试验工作量,提高摩擦磨损测试效率.第五,应该加强机械系统的仿真及建模研究,从而实现系统运行过程的动态仿真以及系统状态的实时监控和预测.参考文献:[1] 温诗铸.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社,1990.190摩 擦 学 学 报 第24卷[2] 肖祥麟.摩擦学导论[J].上海:同济大学出版社,1990.[3] 张嗣伟.基础摩擦学[M].东营:石油大学出版社,2001.[4] Jang Q Y(江亲瑜),Li B L(李宝良).A softw are for w ear numerical simulati on of cam follow er systems(凸轮机构磨损数值仿真软件研究)[J].Lubricati on Engineering(润滑与密封),2000,(4):2 4.[5] Jiang Q Y(江亲瑜),Li M L(李曼林),Dong M Y(董美云),etal.Numerical simulati on of spur gears(渐开线齿轮磨损的数值仿真)[J].Journal of Dalian Railw ay Institute(大连铁道学院学报),1999,20(1):13 18.[6] Yan L(严立),Xu J J(徐久军).Research on th e si mulationmethod of w ear process(磨损问题的仿真求解研究)[J].Tribology(摩擦学学报),1999,19(1):50 55.[7] Yuan C Q(袁成清),Yan X P(严新平),Peng Z X(彭中笑).Review of Proceedi ngs of14th International Con feren ce on W ear ofM ateri als(关于第14届材料磨损国际会议的简要评述)[J].T ribol ogy(摩擦学学报),2003,23(4):356 360.[8] Liu F B(刘峰璧),Xie Y B(谢友柏).A prediction model for tw obody w ear proces s(二体磨损过程预测模型)[J].Journal of Xian Jiaotong University(西安交通大学学报),1998,32(2):20 23.[9] Zhang B,Xie Y B.Tw o body micro cutting wear model,Part I:Tw o dimensional roughness model[J].Wear,1989,129:37 48.[10] Zhang B,Xie Y B.Tw o body micro cutti ng w ear model,Part II:T hree dimensional roughness model[J].Wear,1989,129:49 58.[11] Zhang B,Xie Y B.Tw o body micro cutting wear model,Part III:Stable profile height distribution of a worn surface[J].Wear,1989,129:59 66.[12] Liu F B(刘峰璧),Li X E(李续峨),Xie Y B(谢友柏).Theoretical investigation on three body contact of rough s urface(粗糙表面三体接触理论研究)[J].C hi n ese Journal of M echanical Engineering(机械工程学报),1997,33(3):27 31.[13] Liu F B(刘峰璧),Li X E(李续峨),Xie Y B(谢友柏).A newmodel for predicting roughness of rubbing surface i n three bodyabrasive wear(三体磨损过程理论研究)[J].Chinese Journal ofM echanical Engineering(机械工程学报),2000,19(1):9 12. 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T he application of numerical simulation methods to the study of abrasive w ear mechanism,fatig ue w ear mecha nism,w orn surface topography,and w ear prediction and calculation of components w as reviewed.It w as pointed out that the abrasive w ear simulation study was mainly concentrated on the prediction of tw o body wear,w hile the fatigue w ear simulation w as focused on the establishment of the model making use of fracture mechanics and finite element methods,by accounting for the parameters quantitative calculation and numerical simulation of the fatigue crack behavior.Besides,the wear simulation of practical frictional parts w as concentrated on the w ear analysis of g ear cam and cylinder liner piston ring systems.The problems to be solved and the future directions to be furthered w ere sug gested as w ell.Key words:w ear sim ulation;abrasive wear;fatigue w earAuthor:YAN Xin ping,male,born in1959,Ph.D.,Professor,e m ail:x pyan@m 192摩 擦 学 学 报 第24卷。
