[发明专利]一种干滑动摩擦热‑应力‑磨损分步耦合的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种干滑动摩擦耦合模拟方法，特别是关于一种干滑动摩擦热-应力-磨损分步耦合的模拟方法。

背景技术

干滑动摩擦界面存在摩擦热-应力-摩擦磨损耦合现象。摩擦热主要产生于两个接触面之间的摩擦接触表层，摩擦热的热流密度与切向摩擦应力和相对滑移速度有关。摩擦热会直接导致接触面的温度迅速升高，迅速升高的温度致使接触面发生热变形，从而最终使得接触压力在接触面上重新不均匀的分布，在接触压力和相对滑移速度的综合作用下，接触面逐渐磨损。由于接触面上接触压力分布不均以及接触面不同位置处相对滑移速度存在差异，因此，接触面不同位置处的磨损量不同。这种接触面上磨损量的不均匀性导致接触压力的再次重新分布，进而改变切向摩擦应力的分布和热流密度的大小。另一方面，接触面温度的改变还会显著改变两接触材料的摩擦特性，比如摩擦系数和磨损系数，除此之外，还会改变材料的本构特性，比如屈服极限和硬度等。因此，接触面的摩擦热(温度场)、应力(接触压力场)和磨损(磨损量)之间是相互耦合的。

这种耦合行为难以求得解析解。在采用数值方法进行求解数值解时，如果采用完全耦合分析方法，每个时间增量步都考虑摩擦热-应力-磨损三者之间的双向相互耦合效应，则计算效率极低，无法求解较长时间的摩擦热-应力-磨损耦合问题，但如果采用顺序耦合方法，即先分析温度场，再进行应力-磨损耦合分析，忽略应力和磨损对热传导单方向的耦合项，则牺牲了计算精度，仅适用于摩擦热-应力-磨损的弱耦合问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种计算精度和计算效率较高，且适用于强耦合问题的干滑动摩擦热-应力-磨损分步耦合的模拟方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种干滑动摩擦热-应力-磨损分步耦合的模拟方法，包括以下步骤：1)时域分步：将摩擦热-应力-磨损耦合过程分步，初始化步数计数器i＝1和仿真总时间计时器t＝0，计算初始接触压力p₀＝p_i；2)进入第i步热-应力-磨损顺序耦合，其包括以下步骤：(1)热-应力耦合分析初始化：预设第i步耦合过程的总时间步ΔT，增量步的步数为N，ΔT为耦合过程的总时间T′与增量步的步数N之比，初始化第i步耦合过程的当前时间增量Δt_i＝0和增量步计数器j＝1；(2)热传导分析：在已有的瞬态热传导分析程序ABAQUS中依次完成N个增量步的热传导分析，每个增量步对应输出一个温度场，用于应力-磨损分析；(3)应力-磨损分析初始化：开始进入应力-磨损耦合分析之前，再次初始化增量步计数器j＝1，将步骤2)结束时的状态作为本步应力-磨损分析的初始状态，并记录初始接触压力p₀；(4)应力分析：进入第j个增量步的应力分析，设置有限元模型应力分析的单元类型，定义边界条件、载荷和接触条件，将热传导分析的温度场作为热载荷施加在有限元模型中，应用瞬态热传导分析程序ABAQUS对有限元模型进行应力分析，获得并输出接触压力场；(5)确定磨损量：根据热传导分析得到的温度场、应力分析得到的接触压力场以及两接触面接触节点的相对滑移速率，计算两接触面接触节点的磨损量，并且确定其空间方向；(6)接触压力偏差计算：计算当前增量步的接触压力p_j与初始接触压力p₀之间的相对偏差e(p_j,p₀)；(7)更新网格：根据两接触面接触节点的磨损量和方向，修正该节点的位移，更新有限元模型；(8)判断相对偏差e(p_j,p₀)是否超过容差：考察接触压力的相对偏差e(p_j,p₀)是否达到容许值TOL，如果偏差没有超过容许值TOL，转到步骤(4)，进入下一个增量步的应力分析；否则，抛出异常，终止本步耦合过程，并更新本步耦合过程的当前时间增量Δt_i＝jΔt，进入步骤3)；如果所有增量步都没有抛出异常，则在最后一个增量步结束后更新总时间增量Δt_i＝NΔt，进入步骤3)；3)更新总时间t：根据第i步耦合过程的当前时间增量Δt_i更新总时间t＝t+Δt_i，判断当前总时间t和耦合过程总时间T′的大小，如果t＜T′，则更新计数器i＝i+1和初始接触压力p₀＝p_j，进入步骤2)，开始下一步摩擦热-应力-磨损耦合分析过程，否则，模拟过程结束。