案例43-接触表面磨损模拟

案例43-接触表面磨损模拟

该示例问题模拟接触表面的磨损。磨损发生在扁平环和在其上旋转的半球形环之间的界面处。所证明的磨损特性包括磨损引起的材料去除、磨损引起的接触压力和面积变化以及稳态条件下磨损率的持续降低。

突出显示了以下特性和功能：

• 接触面磨损

• 基于磨损准则的非线性网格自适应

• 用户自定义的磨损

介绍

磨损是指固体表面与另一物体接触时材料的逐渐损失。该程序通过在接触表面重新定位接触节点来近似这种材料损失。新的节点位置由磨损模型确定，该模型基于接触结果计算接触节点移动多少以及沿什么方向移动以模拟磨损。

本示例演示了如何使用Archard Wear模型，并演示了用户定义的建模磨损（userwear）子程序。

由于磨损涉及材料去除，接触元件下面的固体单元的单元质量随着磨损的增加而逐渐变差。需要重新研磨，以成功模拟大量磨损。此示例演示了当模型经历大量磨损时，如何使用手动重新分区或非线性网格自适应来提高网格质量。

问题描述

半径为30 mm的铜半球形环在内半径为50 mm、外半径为150 mm的钢扁环上旋转。半球形环与旋转轴中心的平环接触（100 mm处）。

半球形环承受4000 N/mm2的压力载荷，并且以100000转/秒的频率旋转。半球形环在平环上滑动会导致环磨损。

建模

表示两个环的二维轴对称模型被划分网格并加载，如图所示。

环用二维轴对称平面182单元（KEYOP（3）=1）划分网格。通过用接触单元（CONTA172）和目标单元（TARGE169）覆盖表面，在两个环之间建立无摩擦接触模型。

创建了该模型的两个版本，一个具有不对称接触，另一个具有对称接触。第一个模型使用不对称接触来模拟仅在顶部半球形环上的磨损；接触单元限定在顶环上，目标元件单元在底环上。在第二个模型中，通过定义两个环之间的对称接触来模拟两个环的磨损；接触单元和目标单元在两个环的表面上都有定义。

由于磨损只可以在具有接触单元的表面上建模，第一示例仅在半球形环上显示磨损，而第二示例在两个环上都显示磨损。

（CONTA172）单元具有以下设置：

• 增强拉格朗日公式（KEYOPT（2）=0，默认行为）

• 每次迭代时更新接触刚度（KEYOPT（10）=2）

• 接触检测点的位置：节点，垂直于目标表面（KEYOPT（4）=2）

由于模拟磨损需要重新定位接触节点，因此接触检测点必须位于节点处（KEYOPT（4）=1或2），或者可以使用基于投影的接触（KEYOPT（4）=3）。

定义磨损模型

通过定义磨损模型（TB,Wear命令）并将其分配给接触单元来模拟磨损。可以指定程序中实现的Archard磨损模型的通用形式，也可以通过userwear子程序定义自己的磨损模型。两种方法都提供了示例输入。

必须在磨损表面上定义接触单元。然后，磨损模型通过TB,Wear材料定义与这些接触单元相关联。以下命令用于定义Archard磨损模型：

其中MATID是与接触元件相关联的材料ID。

通过Archard磨损模型模拟磨损

通过在TBDATA命令上输入常数C1至C4来指定Archard磨损模型。这些常数表示磨损系数（K）、材料硬度（H）、接触压力指数（m）和滑动速度指数（n）。

磨损系数K有时可以缩放以简化建模。例如，考虑环对环问题，其中环以恒定速度旋转。接触表面上的这种旋转/滑动的唯一作用是产生磨损（没有摩擦）。磨损系数K可以按比例缩放，使得旋转没有显式建模，但其影响包含在磨损计算中。这大大减少了模拟时间和工作量。

更具体地说，如果假设磨损率与滑动速度呈线性关系，则磨损系数K可以通过滑动速度进行换算。在本例中，滑动速度为2πN*R，其中N=100000转/秒，R是距旋转轴的距离。按2πN*R缩放K导致磨损率与滑动速度线性相关，而无需显式建模滑动。假设所有点与旋转轴的距离（R）都是恒定的，取为100mm（环中心与旋转轴之间的距离）。

为了更准确地建模滑动速度，可以编程用户定义的磨损模型（通过userwear子程序），该模型包括基于与旋转轴的距离的滑动速度。

准备了三个示例输入，以演示不同的磨损建模方法：

1. 一个接触面上的磨损（非对称接触）

2. 两个接触表面的磨损（对称接触）

3. 用户定义的磨损（用户磨损子程序）

一个接触面上的磨损（非对称接触）

不对称接触仅用于模拟半球形铜环的磨损。对于这种情况，接触单元限定在铜环上，而目标单元限定在钢环上。Archard磨损模型被定义为与接触单元相关的材料。

使用TBDATA命令定义磨损的材料数据。铜环的磨损特性如下：

为了在载荷达到稳定状态后开始磨损，TB,wear与TBFIELD,TIME一起使用。该问题分两个加载步进行模拟。在第一个加载中，压力上升到所需水平，并且在该加载步中磨损不起作用。为了实现这一点，TB,WEAR定义如下：

在第二个加载步中，压力保持恒定，磨损定义如下：

两个接触表面的磨损（对称接触）

为了模拟两个环的磨损，对称接触定义与两个接触环上的接触单元一起使用，并定义了铜环和钢环的磨损特性。

铜环的磨损特性如上述不对称示例所示。钢环的磨损特性如下：

不同网格和材料之间的对称接触定义可能导致非光滑接触压力分布。因此，建议使用下方实体单元的节点应力来计算磨损增量（TBDATA上的C5=1），并在对称示例中使用。

铜环的磨损定义为非对称示例中的C5=1：

钢圈磨损定义如下：

用户定义的磨损（用户磨损子程序）

userwear子程序也针对这个问题进行了演示，并使用了与Archard wear模型类似的模型。在本例中，用户服装的输入材料数据与Archard模型的相似，但添加了角速度。

userwear子例程使用通过TBDATA定义的五个输入属性。C1至C4与Archard磨损定律相同，C5以转速（10000转/秒）通过。示例用户磨损子程序使用接触点与旋转轴（R）的距离计算位置相关的滑动速度，并相应地定义磨损增量，因此避免了滑动运动的显式建模。

本例中考虑非对称接触。铜环的磨损定义如下：

求解期间提高网格质量

磨损建模涉及重新定位接触表面节点以模拟材料去除过程。

结果是，接触单元下面的固体单元的单元质量会迅速恶化。示例显示了解决此问题的两种方法，以模拟大量磨损。

非线性网格适应性

改进网格的一种方法是使用非线性网格自适应特性。当网格变形时，基于磨损的接触准则触发非线性网格自适应。磨损量和底层实体单元高度之间的临界比由用户定义。当达到该标准时，将触发非线性网格自适应。

不对称示例和对称示例都使用非线性网格自适应，这需要以下步骤：

• 创建一个包含正在磨损的接触单元的部件。

• 发出NLADAPTIVE命令，根据磨损标准触发自适应。

在这两个示例中，组件名称都是“conreal”，下面的命令触发网格自适应：

在这种情况下，当任何接触点处的磨损超过接触单元下方的固体单元的平均高度的50%时，就会发生适应性。每次达到标准时，停止分析，通过变形网格、历史因变量和映射边界条件，并使用改进的网格重新开始分析。此过程是自动完成的。

手动重新分区

手动重新分区是另一种方法，它能够重新划分扭曲的网格，并使用改进的网格继续磨损模拟。该方法需要更多的用户干预，在用户定义的磨损示例输入文件中进行了演示。

材料属性

铜环和钢环均假定为线性弹性材料行为：

边界条件和加载

扁钢环的底部沿X和Y方向固定。

接触单元用于在半球形环的顶面上的节点和在X方向上受约束的导向节点之间定义刚性表面约束。在导向节点上施加相当于4000 N/mm2压力的力。

在第一个加载步期间，等效压力从0上升至4000 N/mm2，并在第二个加载步期间恒定在4000 N/mm2。磨损在第二个加载步中激活。

分析和求解控制

在两个加载步中进行非线性静态分析。分析中包括几何非线性，并使用自动时间增量。

磨损期间接触节点的重新定位会导致接触状态的改变。如果磨损增量过大，所有接触单元可能从闭合状态变为打开状态，从而导致刚体运动。为了防止这种情况，使用非常小的时间增量，以便磨损增量也很小，并且接触状态的变化最小化。

以下DELTIM命令用于在第二个加载步中设置小的时间增量大小：

结果和讨论

分析结果以研究磨损对接触条件（接触压力和接触面积）的影响，以及在稳态载荷下磨损如何随时间演变。

磨损对接触压力的影响

轴对称接触；仅半球形环磨损

对于轴对称接触示例，接触条件类似于加载步1结束时的经典赫兹接触（见下图）。半球形环中的磨损在第二个加载步中被激活。该图显示了半球形铜环在钢环上旋转300000圈（3秒）时的接触压力。

由于磨损量与接触压力成比例，初始接触压力高的区域磨损更多，局部曲率减小，从而降低了这些区域中的接触压力。这也导致接触环的面积增加，并在磨损开始时接触压力低的区域增加接触压力。

因此，模拟捕捉了磨损的物理过程，并导致接触面积增加和接触压力更均匀；最大接触压力随磨损而降低，最小接触压力随磨耗而升高。也就是说，磨损使接触压力更加均匀，如下图所示。

对称接触；两个环上的磨损

对于对称接触示例，磨损发生在顶部半球形环和底部扁平环上。如下图所示，磨损会产生类似的效果，使接触表面两侧的接触压力更加均匀，并增加接触面积。

磨损对应力和单元质量的影响

载荷（Y）方向上的应力以类似的方式受到磨损的影响。最大应力减小，最小应力增大，而应力梯度减小。这在不对称接触示例的磨损前后的应力图中得到了证明。由于界面处的磨损的单元扭曲，在图中也很明显。

在此分析中，非线性网格自适应提高了磨损期间的网格质量。指定的基于磨损的标准为0.50，这意味着只要磨损导致底层实体单元失去50%的高度，就会发生网格变形。

轴对称接触示例经历四次非线性网格自适应。下图显示了第一个非线性网格自适应过程前后加载方向上的应力和单元质量。

下面的动画提供了整个第二个加载步中不断变化的应力分布的可视化，以及由于网格变形导致的单元重划分。

磨损前后沿接触界面加载方向的应力如下图所示。注意，磨损使应力更加均匀。

磨损随时间的演变

下图显示了对称接触示例中初始接触点在Y方向上的磨损演变。半球形铜环比扁平钢环磨损更多。这是因为铜的磨损系数被定义为钢的磨损系数的10倍。可以看出，在恒定的外部加载下，磨损率在不断降低。

建议

进行磨损模拟时，请考虑以下建议：

• 使用以下接触算法之一：增强拉格朗日函数或惩罚函数（KEYOPT（2）=0或1）。使用纯拉格朗日接触算法对磨损进行建模可能会导致收敛问题，因此不建议使用。

• 使用非常小的子步，以使磨损增量很小。大的磨损增量会突然改变接触状态并导致收敛困难。

• 通常，应该使用不对称接触来模拟接触界面一侧的磨损。但是，如果界面两侧需要磨损，则可以使用对称接触。在这种情况下，定义界面两侧的接触单元，并使用基于节点应力的磨损计算选项（TBDATA上Archard磨损模型的C5=1）以获得更好的结果。

• 模拟大量磨损可能导致严重的网格变形。在这种情况下，使用基于磨损的非线性自适应准则通过网格变形来提高网格质量。