仿生多孔UHMWPE摩擦過程的流固耦合非線性分析

陳雙坤 吳 剛 黃燦超

（三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

摩擦作為機(jī)械及零部件失效的重要因素之一，造成機(jī)械性能和零部件使用壽命的降低，設(shè)備的維修及報(bào)廢等許多問題，為經(jīng)濟(jì)帶來巨大的損失，引起社會的普遍重視［1］.仿生學(xué)發(fā)現(xiàn)，許多生物體表面具有經(jīng)過億萬年的進(jìn)化優(yōu)化而形成高效減阻耐磨作用的非光滑特征［2］.科研人員將這種非光滑特征，運(yùn)用到摩擦副表面，試圖提高零部件工作表面耐磨性能的研究，已取得許多重要的科研成果［3－6］.

本文通過仿生改型技術(shù)改變UHMWPE試件表面的形態(tài)，以平板試件為參照，設(shè)計(jì)仿生多孔型非光滑結(jié)構(gòu)試件，并利用大型有限元軟件ANSYS模擬UHMWPE與硬鋁合金在以牛血清作潤滑液條件下的接觸摩擦應(yīng)力情況，忽略摩擦熱，分析摩擦副在轉(zhuǎn)動摩擦過程中的等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力，考察仿生多孔結(jié)構(gòu)與接觸表面狀態(tài)之間可能存在的聯(lián)系，為UH－MWPE的抗磨設(shè)計(jì)提供參考.

1.1 試驗(yàn)方案

標(biāo)準(zhǔn)試件和仿生多孔試件的材料均為UHMWPE，其材料屬性為：彈性模量Ex＝3.0×109Pa，泊松比γ＝0.25，材料密度ρ＝937kg／m3；固定的摩擦盤的材料為硬鋁合金LY12，其材料屬性為：彈性模量Ex＝74.2×109Pa，泊松比γ＝0.33，材料密度ρ＝2 780kg／m3，試件與摩擦盤偏心距為20mm；摩擦系數(shù)MU＝0.2，流體物質(zhì)為牛血清和空氣，牛血清的粘度為0.0182MPa·s，密度為1 020kg／m3，空氣粘度為1.789MPa·s，密度為1.225kg／m3.

建立的結(jié)構(gòu)模型試件的尺寸如下：標(biāo)準(zhǔn)試件（轉(zhuǎn)動副）：直徑×高＝30mm×10mm；仿生多孔試件（轉(zhuǎn)動副）：直徑×高＝30mm×10mm，多孔直徑為3 mm，孔間距為6.5mm，數(shù)量9個，全部為通孔；摩擦盤（固定）：直徑×高＝80mm×5mm.

建立的流體模型尺寸如下：9小圓柱尺寸為：直徑×高＝3mm×10mm；潤滑膜體尺寸為：直徑×高＝30mm×0.008mm.

1.2 摩擦副的接觸形式

摩擦副的接觸形式以及摩擦界面，如圖1所示.

圖1 摩擦副的接觸形式以及摩擦界面示意圖

本試驗(yàn)在ANSYS Workbench中進(jìn)行，首先在Fluent中進(jìn)行潤滑膜流體分析，然后在 Workbench進(jìn)行接觸非線性分析，采用間接耦合的方式.

2 流固耦合非線性分析

1）有限元網(wǎng)格劃分

在流場劃分網(wǎng)格時(shí)，需要用到布爾差集，合并交接面等操作，為了得到質(zhì)量較優(yōu)的網(wǎng)格，對潤滑膜體與上面的9個圓柱體均采用相同的網(wǎng)格大小0.5，采用Copper的方法對各個體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)先對9個圓柱劃分，接著再對潤滑膜體劃分，流體網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件流體網(wǎng)格模型

在ANSYS Workbench里劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格時(shí)，系統(tǒng)會自動設(shè)置單元類型為Solid186，接觸摩擦采用庫倫摩擦，由于摩擦具有非線性、大變形等特點(diǎn)，且本次試驗(yàn)著重考察試件的應(yīng)力狀況，因而重點(diǎn)分析試件的應(yīng)力狀況.結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格如圖3所示.

圖3 標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

2）邊界條件

對標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生多孔試件定義流速入口和壓力出口.標(biāo)準(zhǔn)試件流場模型的流速入口為X軸（正向）的潤滑膜側(cè)面，壓力出口為X軸（負(fù)向）的潤滑膜側(cè)面，其余為壁面；仿生多孔試件流場模型的流速入口為9個直徑是3mm頂部的圓柱面，壓力出口為整個潤滑膜的側(cè)面，其余為壁面.

第一個載荷步（約束條件），在摩擦盤的底面施加固定約束，為了使圓形滑道固定不動，將滑道底面x、y和z坐標(biāo)系方向的位移都設(shè)置為零.在試件上表面壓力載荷80N，對小試件施加體的角速度80r／min.對小試件的下表面施加來自Fluent計(jì)算出的潤滑膜壓力場，對摩擦盤的上表面相應(yīng)的接觸部位施加潤滑膜壓力場.

2.1 潤滑膜流場分析后處理

圖4為標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件分別在Fluent中進(jìn)行流體分析得出的潤滑膜壓力云圖.由圖2可知，標(biāo)準(zhǔn)試件在潤滑時(shí)，出口處（X軸負(fù)向半圓?。櫥毫μ幱?.021 6～0.1MPa，可見出口有大量牛血清；而仿生試件在潤滑時(shí)，整個圓弧邊都出現(xiàn)牛血清，潤滑膜壓力處于0.026～0.095MPa，整個圓周都存在潤滑膜承載力，可以有效但X軸正向的潤滑膜壓力明顯大于X軸負(fù)向的潤滑膜壓力，表明在一定偏心距的條件下，X軸正向出液量明顯大于X軸負(fù)向出液量，出液口基本在旋轉(zhuǎn)中心外側(cè).

圖4 標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件的潤滑膜壓力云圖

圖5為標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件分別在Fluent中進(jìn)行流體分析得出的空氣體積分?jǐn)?shù).從圖5可以得出，標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件的空氣分布情況明顯不同，原因是標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件流量速度入口與出口不同.標(biāo)準(zhǔn)試件的流量出口處為右半圓弧，呈月型分布，占總面積的25%左右，說明出口處基本為牛血清；仿生試件流量出口為整個圓弧，且左半圓弧流量大于右半圓弧流量，占總面積的35%左右，中間65%的面積為空氣，接觸狀態(tài)良好，說明出口處基本為牛血清，符合實(shí)際情況.

圖5 標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件的空氣體積分?jǐn)?shù)圖

2.2 結(jié)構(gòu)分析后處理

在ANSYS Workbench里計(jì)算出結(jié)果，由于在Workbench的后處理功能沒有經(jīng)典ANSYS強(qiáng)大，且不方便單獨(dú)查看試件的應(yīng)力應(yīng)變情況，而ANSYS具有十分強(qiáng)大的后處理功能，能夠以眾多的手段來展示模擬的結(jié)果，因而將計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入到經(jīng)典的ANSYS里進(jìn)行后處理，結(jié)合模型試驗(yàn)方案對多孔仿生結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)試件的轉(zhuǎn)動潤滑摩擦過程進(jìn)行有限元分析.

1）轉(zhuǎn)動摩擦過程中的等效應(yīng)力

圖6是標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件動態(tài)轉(zhuǎn)動磨損過程中的等效應(yīng)力狀態(tài).從圖6可以看出，標(biāo)準(zhǔn)的等效應(yīng)力呈現(xiàn)很有規(guī)律的變化，呈現(xiàn)從上部遞增，且小試件體的等效應(yīng)力大部分處于0.092～0.105MPa，且接觸面邊緣處等效應(yīng)力最大，最大值為0.181MPa.仿生多孔試件的等效應(yīng)力大部分處于0.101～0.115 MPa，接觸面邊緣處等效應(yīng)力最大值為0.196MPa，總體分布情況與標(biāo)準(zhǔn)試件的分布基本一致，也是呈現(xiàn)從上到下逐漸遞增，但孔洞附近的應(yīng)力要明顯大于周圍的應(yīng)力，且應(yīng)力分布勻稱.

圖6 標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件等效應(yīng)力云圖

2）轉(zhuǎn)動摩擦過程中的接觸摩擦力

圖7為標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件轉(zhuǎn)動過程中的接觸摩擦應(yīng)力云圖.由圖7可以看出節(jié)點(diǎn)接觸摩擦應(yīng)力的分布符合理論，呈現(xiàn)很有規(guī)律的橢圓型分布，且從里向外摩擦應(yīng)力逐漸增大，最大摩擦應(yīng)力為0.042 MPa.仿生試件的接觸摩擦應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)試件的摩擦應(yīng)力分布情況明顯不同，整體上仿生試件應(yīng)力也是服從由內(nèi)向外逐漸增大的橢圓型分布，最大接觸摩擦應(yīng)力為0.044 6MPa，但內(nèi)部應(yīng)力波動面積要明顯小于標(biāo)準(zhǔn)試件.

圖7 標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件接觸摩擦應(yīng)力云圖

3）轉(zhuǎn)動摩擦過程中的節(jié)點(diǎn)接觸壓力

圖8是標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件轉(zhuǎn)動過程中的接觸壓力云圖.從圖8可以看出，在潤滑的條件下，標(biāo)準(zhǔn)試件的流量流出口為右半圓弧，油膜壓力也主要分布在右半圓弧，油膜對試件底面施加相同的反作用力，減小了一部分試件底面所受的力，因此在流出口應(yīng)力較為平緩，應(yīng)力大部分處于0.172～0.193MPa，流入口則出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象.而仿生試件流出口為整個圓弧，右半圓弧的流量明顯小于左半圓弧的流量，右半圓弧的油膜壓力明顯小于左半圓弧的油膜壓力，故而右半圓弧油膜對試件底面施加的反作用力要小于左半圓弧，因此，右半圓弧出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力集中面積相對標(biāo)準(zhǔn)試件少50%左右，且應(yīng)力大部分處于0.192～0.203MPa.

圖8 標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件接觸壓力云圖

3 結(jié) 論

1）標(biāo)準(zhǔn)試件的流量出口處為右半圓弧，呈月型分布，占總面積的25%左右；仿生試件流量出口為整個圓弧，且左半圓弧流量大于右半圓弧流量，占總面積的35%左右，中間65%的面積為空氣，接觸狀態(tài)比標(biāo)準(zhǔn)試件較好.

2）標(biāo)準(zhǔn)試件的應(yīng)力分布狀態(tài)呈現(xiàn)很有規(guī)律的圓形環(huán)帶狀分布，且從里向外應(yīng)力逐漸增大，而仿生試件應(yīng)力分布極具有連續(xù)性，且孔洞附近的應(yīng)力要明顯大于周圍的應(yīng)力，但應(yīng)力分布勻稱.

3）同等壓力載荷等轉(zhuǎn)速條件下，整體上仿生多孔試件的應(yīng)力大于標(biāo)準(zhǔn)試件，但多孔的存在，接觸狀態(tài)改善，加快了對外力的響應(yīng)速度，應(yīng)力分布較為均勻.

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