類金剛石膜-磨粒滑動(dòng)接觸過程的有限元分析

2014-02-22 曾群鋒現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　采用ANSYS有限元軟件模擬了磨粒磨損中類金剛石(DLC)膜與磨粒在旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)中的接觸過程，分析了DLC膜表層在整個(gè)接觸過程中的應(yīng)力應(yīng)變和接觸壓力的變化規(guī)律，研究了滑動(dòng)接觸次數(shù)對DLC膜殘余應(yīng)變的影響。結(jié)果表明:DLC膜在滑動(dòng)接觸后其表層存在著明顯的殘余應(yīng)力;DLC膜的變形主要為塑性變形，且隨著滑動(dòng)接觸次數(shù)的增加逐漸增大;DLC膜的非線性和摩擦接觸的非線性共同影響著滑動(dòng)接觸過程中薄膜中應(yīng)力應(yīng)變的變化。DLC膜與磨粒滑動(dòng)接觸過程的研究將有助于研究DLC膜的表面磨損機(jī)制。

　　類金剛石(DLC)膜是具有高硬度、高彈性模量、低摩擦系數(shù)、電絕緣性和良好的生物相容性等優(yōu)良性能的非晶碳膜，在機(jī)械、電子和生物等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而DLC膜在實(shí)際工程應(yīng)用中不可避免的存在著磨損的問題。當(dāng)鍍有DLC膜的機(jī)械關(guān)鍵零部件在不潔凈的環(huán)境條件下工作時(shí)，摩擦副之間可能會(huì)存在外來污染雜質(zhì)以及各種尺寸的磨損顆粒(磨粒)。當(dāng)摩擦副發(fā)生相對滑動(dòng)時(shí)，磨粒由于受到擠壓作用也產(chǎn)生相應(yīng)的滑動(dòng)，使DLC膜受到法向和切向聯(lián)合載荷的作用，此時(shí)接觸區(qū)域會(huì)表現(xiàn)出不同的應(yīng)力應(yīng)變特性，影響薄膜的表面磨損和使用壽命。因此，研究DLC膜與磨粒滑動(dòng)接觸過程中相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變的變化，為DLC膜的表面磨損機(jī)理以及使用壽命研究提供依據(jù)，就顯得十分重要。

　　本文采用ANSYS有限元軟件分析磨粒與DLC膜表面滑動(dòng)接觸的整個(gè)過程，研究DLC膜表面接觸區(qū)域的相關(guān)應(yīng)力和應(yīng)變的變化特點(diǎn)，力圖為DLC膜的表面磨損機(jī)理研究以及抗磨設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論依據(jù)。

1、模型建立及參數(shù)設(shè)置

　　1.1、有限元模型的建立

　　滑動(dòng)接觸過程中的應(yīng)力應(yīng)變只是集中在接觸區(qū)附近的局部區(qū)域內(nèi)，遠(yuǎn)處區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變則趨近于零，在建模時(shí)可以選取遠(yuǎn)比實(shí)際區(qū)域小的局部區(qū)域。在基體上制備的DLC膜厚度為2μm，因此可以取基體高度10μm，寬度20μm。由于主要研究薄膜的應(yīng)力應(yīng)變變化，在此假設(shè)磨粒為剛性，形狀為圓形，直徑取10μm。假設(shè)DLC膜與基底結(jié)合良好，有限元建模時(shí)基體和薄膜幾何模型采用GLUE操作。據(jù)此建立的幾何模型如圖1所示。網(wǎng)格劃分采用四節(jié)點(diǎn)平面單元PLANE182，劃分方法采用映射網(wǎng)格劃分方法，劃分結(jié)果如圖2所示。有限元模型總共3136個(gè)節(jié)點(diǎn)，3074個(gè)單元。約束模型底邊的所有節(jié)點(diǎn)沿X方向和Y方向的自由度為0。

幾何模型

圖1 幾何模型

有限元模型

圖2 有限元模型

　　1.2、材料參數(shù)和接觸參數(shù)

　　基體材料為高速鋼。定義基體和薄膜為彈塑性體，材料模型采用雙線性等向強(qiáng)化(BISO)模型。基體和薄膜的材料性能參數(shù)如表1所示。設(shè)定磨粒下表面為目標(biāo)面，薄膜上表面為接觸面。目標(biāo)面和接觸面分別采用TARGE169和CONTA171單元。采用Pilot節(jié)點(diǎn)控制目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)。在接觸參數(shù)的設(shè)定中，表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，接觸算法采用增強(qiáng)拉格朗日乘子法。選擇表面作用模式為法向單向接觸。

表1 材料性能參數(shù)

材料性能參數(shù)

　　1.3、求解設(shè)置和加載過程

　　由于滑動(dòng)接觸問題為非線性問題，因此需要設(shè)置必要的非線性選項(xiàng)以保證計(jì)算結(jié)果收斂。打開自動(dòng)時(shí)間步(AUTOTS，ON)和大變形選項(xiàng)(NLGEOM，ON)，激活預(yù)測-修正選項(xiàng)(PRED，ON)以及線性搜索選項(xiàng)(LNSRCH，ON)，采用基于平衡迭代修改剛度矩陣的完全的牛頓-拉普森方法(NROPT，F(xiàn)ULL)，同時(shí)關(guān)閉自適應(yīng)下降選項(xiàng)。

　　采用位移載荷加載，共分為六個(gè)階段:首先是法向加載階段，在磨粒法向上施加0.2μm的位移載荷;第二階段和第四階段是磨粒正向(X軸正方向)滑動(dòng)階段，磨粒沿正向滑動(dòng)10μm;第三階段和第五階段是磨粒逆向(X軸負(fù)方向)滑動(dòng)階段，磨粒沿逆向滑動(dòng)10μm;第六階段是法向卸載階段，卸載到磨粒與薄膜表面完全脫離接觸。分別設(shè)置六個(gè)時(shí)間步對應(yīng)六個(gè)加載過程。