Finite element simulation and experimental validation of fretting wear
微动磨损的有限元模拟与实验验证
Abstract 摘要
提出了一种基于有限元的方法来模拟微动磨损和微动变量的演变与磨损循环数在气缸上的平板微动配置应用于航空发动机传动部件。该方法是基于修改后的版本的Archard方程,并在商业有限元代码内实现。微动试验是用来确定摩擦系数(COF)和磨损系数适用于接触配置和负载条件。磨损模拟技术本质上是增量的,通过网格和增量大小优化,总模拟时间已最小化。预测的磨损轮廓进行了比较,轮廓仪测量微动试验疤痕。
Keywords 关键词
Nomenclature 命名法
- a
- contact half-width 接触半宽
- A
- apparent contact area 表观接触面积
- b
- width of the flat specimen
平板试样宽度 - cj
- minimum gap between the worn surfaces due to the wear of the jth increment
由于第j个增量的磨损,磨损表面之间的最小间隙 - E
- Young’s modulus 杨氏模量
- h
- total wear depth 总磨损深度
- Δhi,j
Δhi,j - wear depth increment at node i for jth wear increment
第j次磨损增量时节点i处的磨损深度增量 - Δhcrit
Δh临界值 - critical wear depth increment
临界磨损深度增量 - hm
- average wear scar depth 平均磨痕深度
- hmax
- maximum wear scar depth 最大磨痕深度
- H
- hardness of the material 材料硬度
- k
- dimensional Archard wear coefficient
维Archard磨损系数 - kl
- local wear coefficient 局部磨损系数
- K
- non-dimensional Archard wear coefficient
无因次Archard磨损系数 - Nt
- total number of wear cycles
磨损循环总数 - ΔN
- increment in number of simulation wear cycles
模拟磨损循环次数增量 - ΔNcrit
ΔN临界值 - critical value of ΔN for stability
ΔN稳定性临界值 - p0
均p0 - maximum Hertzian contact pressure
最大赫兹接触压力 - pi,j pi,j
- contact pressure at node i for jth wear increment
第j次磨损增量时节点i处的接触压力 - p(x)
p(x) - contact pressure as a function of x-position
作为x位置函数的接触压力 - P
- applied normal load 外加法向载荷
- R
- radius of contacting surface
接触面半径 - si,j si,j
- contact slip during a quarter cycle at node i for jth wear increment
对于第j个磨损增量,在四分之一周期期间在节点i处的接触滑动 - S
- total (accumulated) slip distance
总滑移距离 - t
- time 时间
- T(t)
T(t) - frictional force at time t
时间t时的摩擦力 - Tmax
- maximum frictional force during one fretting cycle
一个微动循环期间的最大摩擦力 - V
- total wear volume 总磨损体积
- W
- wear scar width 磨痕宽度
- x,y
x为oh - rectangular co-ordinates 直角坐标
- yi,j yi,j
- y coordinate of node i at beginning of jth wear increment
第j次磨损增量开始时节点i的y坐标
- δ*
- applied stroke half-amplitude
作用冲程半幅 - μ
- coefficient of friction 摩擦系数
- σx, σy
σx,σy - normal stresses on planes perpendicular to the x, y-axes
垂直于x,y轴的平面上的正应力 - ν
- Poisson’s ratio 泊松比
- ω
- maximum penetration depth used in ABAQUS contact algorithm
ABAQUS接触算法中使用的最大穿透深度
Greek letters 希腊字母
1. Introduction 1.介绍
微动磨损是一种表面退化过程,它是由柔性联轴器、花键、联接结构等接触部件之间的小幅振荡运动引起的材料去除,对这类表面损伤机理的分析已得到广泛的发展[1]、[2]、[3]、[4]。影响微动磨损的主要参数是法向载荷、滑动振幅、频率、接触几何形状、表面粗糙度和材料特性。由Vingsbo和Soderberg[5]和Vincent等人[6]建立的“微动图”方法表明微动损伤演化强烈依赖于微动机制。 磨屑也是影响微动磨损的重要因素。据报告,一旦碎屑在接触表面上积聚并形成致密的氧化层,磨损率就会显著降低[4]。近年来,Godet等人[7]、[8]发展了第三体摩擦学和速度调节机制理论,以解释磨屑在特定微动条件下的作用。
与微动磨损定性认识的发展相比,微动磨损的定量评价还没有得到很好的发展。困难之一是缺乏一个“通用的”和良好制定的磨损模型[9]。此外,目前还不清楚如何将磨屑的影响纳入这样一个定量模型。在某些情况下,磨屑更容易从接触区域消除,并且保持更多的金属与金属接触,可以合理地忽略磨屑的影响。在这种情况下,微动磨损因此可以被视为一个纯粹的接触磨损问题。这些问题的分析技术,是由Korovchinsky[10],Galin[11],Galin和Korovchinsky[12]等人开发的。Korovchinsky等人 [13]提出了一种分析方法,用于模拟二维、初始赫兹配置的部分滑动条件下的微动磨损。在该模型中,Archard方程局部应用于评估一个循环期间滑动区内的磨损和差距变化。一个逐步的程序,然后采用计算的接触特性的演变作为一个功能的磨损循环次数的增加。Johansson[14]提出了一种有限元解,该解结合了Archard方程的局部实现,以评估接触几何形状的变化和相关的接触压力变化。最近,Oqvist[15]提出了一项关于圆柱形钢辊和往复接触配置中钢板之间轻度磨损的数值模拟研究。 磨损形貌的测量也得到了,并建立了良好的相关性之间的数值预测和实验测量的磨损轮廓超过约100万个周期。所采用的数值方法是基于Podra和Andersson的早期工作[16],然而,Oqvist提供的细节很少。
在本文中,详细的有限元模型,它模拟的摩擦接触行为的圆柱上平微动测试配置的开发和初步验证,首先描述。该有限元模型,然后采用,通过几何更新,作为增量微动磨损模拟工具,预测的几何形状的变化(即两个接触表面)和相关的演变的显着微动变量,即相对滑移,接触压力和表面下的应力,在磨损过程中的摩擦接触求解器。几何更新是基于节点的磨损深度计算使用修改后的版本阿卡德的滑动磨损方程。重要的方面,如网格细化和优化的磨损循环次数每增量,最小化的总模拟时间,进行了讨论。还描述了使用高强度航空钢的相同微动构造的实验测试。 试验采用了氮化对非氮化接触对,如航空发动机花键中常用的,在一系列正常载荷下,引起不同的微动磨损趋势,从而促进实验验证和解释的模拟结果。这项工作的基础上形成了一个更一般的微动磨损模拟工具,为复杂的三维几何形状,未来纳入微动磨屑的影响。
2. Experimental procedure
2.1. Material and specimens
2.1.材料和样本
本研究中使用的材料是一种通常称为Super CMV的高强度合金钢,用于燃气涡轮机航空发动机传动部件,如花键联轴器;成分见表1。
Table 1. Composition of Super CMV (wt.%)
表1. Super CMV的组成(重量%)
C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo 莫 | Ni | V | Fe |
0.35–0.43 0.35-0.43 | 0.1–0.35 0.1-0.35 | 0.4–0.7 0.4-0.7 | <0.007 | <0.002 | 3.0–3.5 3.0-3.5 | 0.8–1.10 0.8-1.10 | <0.3 | 0.15–0.25 0.15-0.25 | Remainder 其余部分 |
最初将试验材料机加工成略微超过样本所需尺寸的样本坯件。将坯料加热至940 °C持续45分钟,然后油淬。淬火后的表面硬度约为700HV0.3。然后将坯件在570 °C下回火2小时15分钟,然后空气冷却。最终硬度为480-510HV0.3。最后对热处理后的坯料进行机加工和研磨,以获得所需的形状和尺寸,用于交叉圆柱-平板微动磨损试验装置。之后,平坦试样被氮化以将表面硬度提高到约800 HV 0.3,遵循通常用于改善燃气涡轮机花键联接件的磨损性能的实践。圆柱形试样未氮化。
图1a所示为平面试样氮化后的形貌特征。图1b是氮化试样的横截面图。可以看到厚度约为6-7 μm的“白色层”。该层已被确定为γ′-(Fe4 N)和ε-(Fe2-3 N)相的异质混合物,并且在各种晶格结构之间的过渡区域中含有高内应力[17]。内应力使白色层非常脆,从而在微动磨损期间,特别是在高接触载荷下,其容易剥落。

Fig. 1. SEM micrographs of nitrided flat specimen showing: (a) plan view; and (b) cross-section view, including white layer.
Fig. 1.氮化平坦试样的SEM显微照片,显示:(a)平面图;和(B)横截面图,包括白色层。
2.2. Fretting tests 2.2.微动磨损试验
如图2所示,使用平板上的交叉圆柱体布置进行微动磨损试验。圆柱形试样的直径为12 mm。将扁平试样刚性连接到机器的底座上;圆柱形试样由电磁振动器驱动。一个线性可变位移传感器安装在整个试样架监测所施加的冲程。除了需要手动调节的初始阶段外,在整个测试过程中冲程自动保持恒定。正常载荷通过杠杆由自重施加。在测试过程中,通过连接到驱动臂的应变计测量切向摩擦力。有关该微动试验台的更多详细信息请参阅[18]。本研究中使用的微动磨损条件总结见表2。

Fig. 2. Schematic crossed round-against-flat specimen arrangement.
图2.示意性交叉圆对平试样排列。
Table 2. Fretting test conditions
表2.微动磨损试验条件
Normal load (N) 正常载荷(N) | 185, 500, 1670 |
Initial maximum Hertzian stress (MPa) | 336, 550, 1000 |
Stroke (μm) 行程(μm) | 50 |
Frequency (Hz) 频率(Hz) | 20 |
Total number of wear cycles 磨损循环总数 | 18000 |
Room temperature (°C) 室温(°C) | 14–20 |
Relative humidity (%) 相对湿度(%) | 40–50 |
3. Experimental results 3.实验结果
3.1. Coefficient of friction
3.1.摩擦系数
摩擦系数(COF)μ定义为一个循环期间测得的最大摩擦力幅度Tmax与施加的法向载荷P的比值,如下所示: (1) 图3显示了在不同(法向)接触载荷下COF随磨损循环次数的变化。COF在测试的初始阶段迅速增加,特别是在185和500 N的正常载荷下。当磨损循环次数超过2000次时,COF趋于稳定值。最初的低COF可以归因于表面氧化膜的存在。一旦氧化膜被消除,金属-金属和/或金属-磨损颗粒相互作用开始,促进COF的强烈增加。从图3中还发现,稳定COF随着正常负载的增加而减小。具体而言,185 N正常载荷的COF最高,为0.8。 当正常载荷分别增加到500和1670 N时,它分别降低到0.75和0.6。该趋势与之前的观察结果一致[19],并且归因于界面剪切应力是恒定值τ0的函数以及平均接触压力p和界面剪切应力系数γ的乘积[20]。

Fig. 3. Coefficient of friction vs. number of fretting wear cycles. Stroke: 50 μm; frequency 20 Hz.
图三.摩擦系数与微动磨损循环次数。行程:50 μm;频率20 Hz。
3.2. Wear results 3.2.磨损结果
众所周知,微动磨损下的有限磨损损伤难以测量。在本研究中,使用SURFCOM 200扫描触针轮廓仪跟踪二维表面轮廓,评价磨损程度。一般情况下,水平放大倍数为85×,垂直放大倍数为1000×或2000×。未磨损的表面用作参考表面。在使用3%HCl溶液进行仿形之前,从磨痕表面去除致密的氧化物碎片。轮廓测量有两个目的。首先,获得磨损系数的适当估计值以输入到磨损模拟工具,其次,获得磨损轮廓以验证数值预测轮廓,如稍后在第5节和第6节中所述。 本节描述了如何确定磨损系数,并总结了磨损曲线,以便随后与数值预测进行比较。第5节的模拟工具需要一个磨损系数k,表示为单位局部滑动/单位局部接触压力的磨损。从实验结果来看,只能直接测量每单位位移每单位法向载荷的磨损系数。后者是Archard磨损系数,其定义为:其中,V是总磨损体积,P是施加的法向载荷,对于微动磨损,S是总累积位移,等于其中δ*是位移幅度(即半行程),Nt是磨损循环的总数。
直接计算所需的磨损系数需要了解局部接触滑移和局部接触压力。由于这些是不容易测量的修改形式的方程。(2)其中W是相对于x坐标的磨痕宽度,B是平坦试样的宽度,hm是相对于x坐标的平均磨痕深度。应当理解,该磨损系数是在接触压力和滑动的范围内以及在相当数量的磨损循环内平均的,因此是不理想的。然而,在磨损模拟工具充分发展到能够从测量的磨损轮廓计算局部接触压力和滑动之前,它的使用是必要的。
在微动磨损(x)方向上的二维磨损曲线在扁平试样的整个宽度方向和沿着圆柱形试样的互补长度方向上大致相似,因此,出于目前的目的,采用代表性的测量曲线来获得磨损系数计算所需的数据。图2显示了扁平试样的宽度B为10 mm。扁平和圆柱形试样的二维表面轮廓如图4所示,对应于185 N法向载荷的情况。测量的疤痕的平均磨损深度hm,通过平均一系列的10个离散值的磨损深度h,在不同的位置沿着疤痕,从轮廓仪轨迹进行评估。 还从测量的磨痕轮廓获得了平坦试样的最大磨损深度hmax。

Fig. 4. Measured two-dimensional surface profiles of unworn and worn flat and cylindrical specimen for 185 N normal load case.
见图4。在185 N法向载荷情况下,测量未磨损和磨损的扁平和圆柱形试样的二维表面轮廓。
表2所示情况下的磨损系数见图5。可以看出,结果随正常载荷而变化。对于平板试样,当法向载荷从185 N增加到500 N时,磨损系数增加,当法向载荷进一步增加到1670 N时,磨损系数减小。然而,圆柱形试样的系数相对于法向载荷变化几乎保持不变。法向载荷对磨损系数的影响归因于:(a)平坦试样表面上白色层的存在,该白色层在高法向载荷下是脆性的并且容易破碎,从而有助于测量的磨损率;以及(B)在不同接触载荷下碎片的不同摩擦学行为。关于这一问题的更详细解释将在今后的工作中提出。

Fig. 5. Wear coefficients for the different normal loads.
图五.不同法向载荷的磨损系数。
4. FE model for fretting contact
4.微动接触有限元模型
4.1. Development of the FE model
4.1.有限元模型的开发
下一节中描述的微动磨损预测工具的基础是微动试验几何形状的详细二维有限元模型。通用非线性代码ABAQUS[21]用于FE建模,以便于将本方法推广到更复杂的应用。有限元模型如图6所示,其中圆柱体的半径与微动磨损试验中的圆柱体试样相同。整个计算采用二维、四节点、平面应变(线性)单元。接触区域的网格(单元尺寸)非常细(约10 μm),以捕捉表面和亚表面应力以及相对滑移的复杂变化。通过多点约束实现了从远离接触区域的粗网格到接触区域的细网格的急剧过渡。 这是必要的,以实现正确的平衡,详细的接触区域网格细化,建模微观磨损深度增量和准确预测的显着微动磨损变量,和最小的CPU时间的总磨损模拟,如18,000个周期。如下所述,磨损循环的典型增量数量约为30,每个增量需要一个组合法向和切向载荷分析,因此总共18,000个磨损循环需要约600个单独的FE分析。网格的优化导致总磨损模拟时间从约6天减少到不到1天。接触面的相互作用是通过接触对的方法在ABAQUS中定义,它使用主从算法来执行接触约束。允许从表面上的节点以用户控制的最大穿透深度ω穿透主表面。 选择圆柱形表面作为从接触表面,发现ω值约为5 μm是令人满意的。采用库仑摩擦模型,考虑各向同性摩擦。通过拉格朗日乘子方法引入摩擦接触条件,而不是更近似的罚函数法,以便在等效剪应力小于临界剪应力时,强制执行机构之间的精确粘附(零滑移)约束。在加载过程中,采用线性约束方程,以确保圆柱体顶面节点的位移均匀。平坦基板的底部被限制在x和y方向上移动。圆柱体和平板的弹性模量和泊松比分别取为200 GPa和0.3。

Fig. 6. Finite element model for cylinder-on-flat configuration.
见图6。圆柱-平板结构的有限元模型。
为了验证未磨损模型的准确性,将其与赫兹应力分布的已知解析解进行比较[22]。接触压力分布由下式给出:接触面积的半宽度a和最大接触压力p0分别由下式给出:其中P是施加的法向载荷,E*是两个接触体的复合模量。对于平面应变条件,后者由下式给出:其中Ef、Ec分别是扁平体和圆柱体的弹性模量,vc、vf分别 R是由下式给出的相对曲率:其中Rf和Rc是接触表面的半径。图7a示出了来自等式7b的p(x)的比较。(4)以及使用图6的网格的对应FE预测分布。弹性理论[22]允许导出沿y轴沿着的次表面x和y方向的正应力(主应力): (9) (10) 图7 b显示了后者应力分布与相应FE预测之间的比较。 有限元模型被认为是给所有三个变量的分析解决方案非常一致,从而表明令人满意的网格细化。

Fig. 7. Comparison of Hertzian problem from FE prediction and analytical solution for: (a) distribution of contact pressure; and (b) sub-surface stress along Y-axis under a normal load of 1200 N.
见图7。来自FE预测和解析解的赫兹问题的比较:(a)接触压力分布;和(B)在1200 N法向载荷下沿着Y轴的亚表面应力。
4.2. Fretting contact under combined normal and tangential loading
4.2.法向和切向载荷联合作用下的微动接触
在微动磨损试验中,图2中的交叉圆柱体对平面试样承受固定法向接触载荷,并叠加循环切向位移,试验数据见表2。因此,必须在FE模型中执行此加载循环,以便进行磨损计算。参考图6,FE模型的加载历史如下:在一个分析步骤中,沿y方向向点A施加法向载荷,然后在两个后续分析步骤中,在点B施加振幅为δ* 的周期性x位移,从而在接触表面上引入振荡切向摩擦力T(t)。
微动条件下的接触压力分布与赫兹解一致,因为当接触体具有相同的杨氏模量时,该分布与切向载荷或位移无关[22]。请注意,如第6节所述,存在磨损的情况并非如此。众所周知,在微振磨损条件下,接触部件之间的实际相对滑动与所施加的切向行程或位移的差异比在例如滑动条件下更显著。微动磨损预测采用的是相对滑动,而不是施加的行程,尽管施加的行程通常用于根据试验数据评估磨损系数。这是由于直接可用的应用行程数据和估计相对滑移的困难,为一个给定的测试配置。 通常不可能在位移控制条件下通过解析法获得滑移分布,尽管在载荷控制条件下,某些简化配置的解析解可用[22]。在任何情况下,本工作的目的是开发一种通用的工具,应用到复杂的几何形状,如花键齿。图8显示了在一系列法向载荷下,对于2.5 μm的施加(A点)体位移,接触滑移之间的有限元预测关系。结果表明,从低法向载荷(如600-1000 N)下的总滑移状态到较高法向载荷(如1200-1600 N)下的部分滑移状态的演变;在这两种情况下,很明显,接触界面处的相对滑移明显小于施加的位移。 相对滑动随着沿接触界面的水平位置沿着而变化,在接触的中心处的幅度小于在接触的边缘处的幅度。滑动的这种空间变化引起局部磨损深度随水平位置的相应变化,如下所述。

Fig. 8. Comparison of slip distributions for a range of normal loads, with the same applied displacement of 2.5 μm.
见图8。在相同的2.5 μm施加位移条件下,一系列法向载荷下的滑移分布比较。
5. Wear simulation method
5.磨损模拟方法
5.1. Wear model 5.1.磨损模型
根据Stowers和Rabinowicz[23]的假设以及Johansson[14]的实施,此处假设微动磨损可通过将Archard方程应用于沿接触界面不同宽度的局部接触条件来评估。Archard的滑动磨损方程通常表示为[24]: (11) 其中K是无因次磨损系数,H是材料的硬度(MPa)。P、S和V已在第3节中定义。为了模拟接触表面轮廓随磨损循环的演变,有必要在有限元模型的每个接触节点处局部确定作为水平接触位置x的函数的磨损深度。 因此,对于无穷小的表观接触面积,DA,磨损深度的增量,DH,与滑动距离的增量,DS,确定。这可以通过应用Eq. (11)对于滑动距离的增量dS:#1然后,将两侧除以dA,得到以下等式: (13) dP/dA项是局部接触压力p(x),而dV/dA是局部磨损深度的所需增量dh,注意h是水平位置x和总局部滑动距离S的函数。 因此,获得了用于预测局部磨损深度增量的以下等式:其中,量K/H在此由局部磨损系数k代替。不幸的是,作者不知道任何现有的方法来估计k。因此,如前面第3节所述,最好的替代方法是测量整个接触宽度的平均值。因此,在本研究中,假设k=k。方程式的含义。(14)在接触面上给定点处的磨损深度增量与局部磨损系数、局部接触压力和局部滑移距离增量成正比。 在下文描述的微动磨损的数值预测中,可能涉及总滑动或部分滑动情况,S被假定为接触表面之间的总局部滑动距离。再次注意,使用所施加的测试冲程获得k,从而获得k,这自然会低估磨损体积,因为局部接触界面滑移总是小于所施加的体积位移。对于给定的施加行程,由于施加行程和接触滑动之间的差异减小,可以预期低估的程度随着法向载荷的减小而减小。
5.2. Wear modelling procedure
5.2.磨损建模程序
基于上一节的磨损预测方程,开发了一个自动化、增量式磨损模拟工具。本节介绍了气缸平放试验装置的发展。这项工作的一个重要方面是使用ABAQUS商业有限元代码;其通用功能有助于扩展到其他接触几何形状,例如平面对平面或花键齿面。图9示出了形成模拟工具的基础的数值过程的流程图。一旦生成了初始未磨损几何形状的有限元模型,该程序就可以运行任意指定数量的磨损循环,以预测相应的磨损表面轮廓以及表面和次表面接触变量的演变。 仿真工具由专用Fortran程序和ABAQUS之间的交互组成,根据有限元分析的局部接触压力和局部滑移结果,根据计算出的磨损深度,如下所述,逐步更新有限元模型。

Fig. 9. Flow chart of the numerical method for modeling fretting wear.
见图9。微动磨损数值模拟方法流程图。
磨损模拟所需的初始参数包括接触几何形状、材料特性、法向载荷、施加的冲程和摩擦系数,所有这些都在FE模型中定义,沿着磨损建模的控制参数,即磨损系数k、磨损循环总数Nt和每步磨损循环数增量ΔN。
将磨损循环总数Nt离散为n个磨损增量,然后针对指定的ΔN值,递增计算每个表面上每个接触节点处的磨损深度增量Δh。选择合适的ΔN值对于模拟的稳定性和计算时间都很重要,如第7节中进一步讨论的。
具体而言,对于第j个磨损增量,在任一接触表面上的给定节点i处,使用第4节的FE模型确定接触压力pi,j和每循环滑移4si,j。假设pi,j和si,j在给定增量内是常数。在第j个增量中,节点i处的平坦和圆柱形接触表面的磨损深度增量由 (15) (16) 给出,其中上标f和c分别表示平坦和圆柱形表面。 因此,在第j+1次磨损增量开始时,平面的节点i的更新垂直坐标y,f由下式给出: (17) ,圆柱形表面的相应更新垂直坐标由下式给出: (18) cj项是圆柱形试样的FE模型需要垂直向下移动的量,即刚体移动,以确保接触表面在新的磨损增量开始时最初接触。该项计算如下: (19) 它表示由于第j个增量的磨损而导致的磨损表面之间的最小间隙。对磨损循环总数的每个增量重复这些计算,然后实现所需的磨损模拟。
上述方法一般应用于复杂三维部件(如航空发动机花键联轴器,例如参见[25],其中微动磨损评估对部件设计优化至关重要)的最重要挑战之一是磨损模拟时间的最小化。这是通过许多不同的方面来实现的,包括网格优化(见上文)和磨损增量优化(见下文)。在切向力-位移循环的不同阶段期间的滑移分布的评估已经确定,对于完整循环的总滑移距离可以从滑移距离si,j满意地估计,对应于仅正切向位移的应用。 虽然最初的开发工作是基于从正负切向位移的增量模拟中获得的滑移估计,但使用si,j可以显著节省67%的模拟时间。这种节省仅仅是由于观察到不需要模拟负切向位移增量来获得完整循环的精确接触滑动估计,这反过来又是由于连接的接近几何对称性,即使在磨损条件下。
6. Results 6.结果
6.1. Predicted wear profiles
6.1.预测磨损轮廓
上述方法已应用于表2的加载条件。第3节中给出了每种载荷的摩擦系数和磨损系数,这些值用于相应的磨损模拟。图10显示了在185 N法向载荷情况下,接触表面轮廓随微动磨损循环次数增加的FE预测演变。结果发现,随着微动磨损的进行,在平坦表面上形成磨痕,而圆形表面的形状也被修改。接触倾向于一致,在两个表面上具有相似的半径。

Fig. 10. Predicted wear profiles for: (a) cylindrical; and (b) flat specimens under 185 N normal load case, for different numbers of wear cycles N.
见图10。在185 N正常载荷情况下,不同磨损循环次数N下,(a)圆柱形和(B)扁平样本的预测磨损曲线。
在18,000次循环后,对所有三种情况下的平板试样的磨损表面轮廓进行了数值预测,并与实验结果进行了比较,如图11所示。表3列出了疤痕宽度和最大磨损深度的预测值以及相应的实验结果。对于185 N的低法向载荷情况,预测结果和测量结果密切相关。对于500和1670 N的情况下,磨痕宽度被认为是过度预测,分别为34%和16%,而最大磨损深度被低估,分别为44%和25%。

Fig. 11. Comparison of FE prediction and experimental results for worn surface profiles of the flat specimen, after 18,000 wear cycle at: (a) 185 N normal load; (b) 500 N normal load; and (c) 1670 N normal load. Stroke is 50 μm.
见图11。在18,000次磨损循环后,在(a)185 N法向载荷;(B)500 N法向载荷;和(c)1670 N法向载荷下,平板试样磨损表面轮廓的FE预测和实验结果的比较。行程为50 μm。
Table 3. Comparison of FE prediction and experimental results for wear scars on the flat specimen after 18,000 wear cycle. Stroke is 50 μm
表3. 18,000次磨损循环后平板试样上磨痕的FE预测和实验结果的比较。行程为50 μm
Normal load (N) 正常载荷(N) | Scar width (mm) 疤痕宽度(mm) | Maximum wear depth (μm) 最大磨损深度(μm) | ||
Measured 测量 | Predicted 预测 | Measured 测量 | Predicted 预测 | |
185 | 0.54 | 0.52 | 2.9 | 3.0 |
500 | 0.59 | 0.79 | 15.0 | 8.4 |
1670 | 0.75 | 0.87 | 15.6 | 11.7 |
图12示出了使用以下各项预测的磨损体积之间的比较:(i)采用局部接触滑动的当前磨损模拟工具;以及(ii)直接使用所施加的冲程的Archard方程。对于三个正常载荷值,磨损体积相对于微动循环次数作图。对于185 N载荷,Archard方程方法给出了与磨损模拟方法非常相似的结果,而在较高载荷下,可以看到差异随着载荷的增加而增加。对于1670 N的情况,差异约为15%。注意,Archard磨损系数是根据18,000次磨损循环的磨损表面轮廓计算的。因此,很明显,基于局部接触滑移的方法对于低法向载荷给出了相当好的磨损体积预测,但是对于高法向载荷低估了磨损体积。下文对此作进一步讨论。

Fig. 12. Comparison of predicted wear volumes and Archard’s solutions under different normal loads.
见图12。不同法向载荷下预测磨损体积和Archard解决方案的比较。
6.2. Evolution of contact variables
6.2.接触变量的演变
图13显示了对于表2的三种载荷情况,随着磨损循环次数的增加,FE预测的半接触宽度的演变。未磨损几何形状的预测宽度与赫兹解一致。然而,随着微动磨损的进行,宽度明显修改。在前2000个周期内,接触宽度迅速增加,随后增加率逐渐降低。对于随后的循环,接触宽度继续增加,但速度较慢。

Fig. 13. Evolutions of half contact width with increasing number of wear cycles, N, for the different normal loads.
图十三.不同法向载荷下半接触宽度随磨损循环次数N增加的演变。
接触压力分布随接触宽度的变化而变化。图14显示了对于185 N法向载荷,接触压力分布随磨损循环增加的FE预测演变;这些分布对应于微动循环中的零切向位移位置。随着接触宽度分布的沿着逐渐趋于均匀,峰值压力不断减小。所有三种情况下的峰值压力变化如图15所示。在第一个1000个循环期间,峰值压力急剧降低,随后在随后的17,000个循环中逐渐降低。在18,000次循环后,预计所有三种情况下的峰值压力均已降至其初始值的30%以下。

Fig. 14. Predicted evolution of contact pressure with increasing number of wear cycles, N, under 185 N normal load case.
见图14。在185 N正常载荷情况下,预测接触压力随磨损循环次数N增加的演变。

Fig. 15. Evolutions of peak pressure with increasing number of wear cycles, N, for the different normal loads.
图15.峰值压力随不同法向载荷下磨损循环次数N增加的演变。
图16 B示出了在第18,000个磨损循环的所施加的切向位移循环期间,如图16 a所示的离散位移组δA、δB、δC、δD和δE的预测接触压力分布的变化。很明显,在该循环期间,在沿沿着接触宽度的任何给定位置处存在接触压力的显著变化。本磨损模拟方法的初始开发工作是基于使用这种瞬时局部压力和相应的局部滑动值进行磨损深度计算。 与基于使用“代表性”局部接触压力和相应局部滑移值(其中“代表性”值被视为零切向位移值)的磨损模拟结果进行比较,确定了18,000次磨损循环情况下的结果在5%以内。这种“代表性”压力的使用显着提高了计算效率,将模拟时间减少了约60%。因此,第5节的方法是基于使用“代表性”接触压力。

Fig. 16. (a) variation of the applied tangential displacement with time and (b) variation of contact pressure with the applied tangential displacement, during 18,000th wear cycle under 185 N normal load case.
见图16。(a)施加的切向位移随时间的变化,以及(B)接触压力随施加的切向位移的变化。
图17显示了接触滑移的演变,对应于微动循环的正切向位移点(图16 a的点δB),从最初的未磨损情况到磨损情况,经过18,000次微动循环。注意,接触宽度从小于0.1 mm显著增加到约0.5 mm,也如图13所示。然而,滑动幅度,预计将增加不到1 μm,仅受磨损损伤的影响可以忽略不计。这种小的增加归因于接触压力的降低。

Fig. 17. Predicted change of relative slip distribution due to wear damage under 185 N normal load case.
图17.在185 N正常载荷情况下,由于磨损损伤,相对滑移分布的预测变化。
7. Discussion 7.讨论
本方法微动磨损模拟的优点是,它是基于商业FE代码的使用和磨损模拟工具的实施只需要开发一个额外的程序与FE代码进行交互,通过修改模型输入和处理的分析输出,应用第5节的磨损深度方程,虽然这样的程序也需要一些内置的智能,如本文所述。使用商业代码作为工具的摩擦接触求解器部分有助于推广到更复杂的部件,如上所述,例如三维接触几何形状和联接器,用于工业应用,以预测这些部件的磨损限制使用寿命,并且还用于学术研究目的,以评估,例如,在实验室测试配置中微动磨损和裂纹成核之间的相互作用。 该方法具有很大的灵活性,可以很容易地移植到内部设计程序或其他有限元程序中,以评估磨损损伤和应力场的相关变化。商业代码的使用也有利于扩展到模拟相关的故障现象,如断裂力学和裂纹扩展。
在整个文件中处理的最重要的方面之一是需要优化计算成本,而不牺牲精度。到目前为止,与此相关的三种主要技术是:(i)通过网格细化MPC和其他明智的网格细化进行网格优化;(ii)使用切向力-位移环相对于接触滑移的对称性,以避免模拟每个微动循环的完整切向部分;(iii)在整个切向循环中使用“代表性”接触压力和滑动值代替瞬时值。
另一个明显的减少模拟时间的方法是采用更大的ΔN值。然而,发现如果ΔN超过临界值ΔNcrit,则结果变得不稳定,如图18所示。在这种情况下,不稳定性仅在200个循环后发生,但如果在更多数量的模拟循环中投入大量计算时间,则显然后果更大。Johansson[14]和Oqvist[15]提出的数值方法也存在类似的稳定性问题。发现ΔNcrit取决于许多不同的输入参数,包括法向载荷、行程或滑移以及磨损系数。例如,对于1200 N的正常载荷的情况,COF为0。6,行程为20 μm,磨损系数为1×10−8 MPa−1时,ΔNcrit约等于30。然而,对于每个载荷情况,必须迭代地确定ΔNcrit是不令人满意的。幸运的是,稳定性问题可以更直接地解释为单位增量的最大允许磨损深度Δhcrit,它与接触载荷、行程/滑动和磨损系数无关,如果超过这个值,则会通过有限元程序的接触算法导致不稳定性。在给定的磨损模拟中,由于接触压力随N的增加而减小,接触滑移量随N的变化可以忽略不计,Δh值相应地连续减小。 这里推荐的方法是先确定一种负荷工况的Δhcrit,然后通过比较相应的初始Δh和Δhcrit,采用试错法确定其他负荷工况模拟的稳定ΔN。图19显示了如何确定一种载荷情况下的Δhcrit。对于选定的载荷条件,使用一系列递减的ΔN值进行磨损模拟,直到发生不稳定性;已经发现,如果发生不稳定性,则会在前十个磨损增量内发生。因此,获得不发生不稳定性的ΔN值,然后将对应于该ΔN的Δh值作为Δhcrit。 为了确保在其他载荷条件下不发生不稳定性,只需针对选定的ΔN,对照Δh临界值检查Δh的初始值。后一种方法可以防止不稳定性,但以增加计算为代价。Oqvist[15]提出了一种简单的方法,通过引入变化的ΔN来平衡模拟时间和稳定性。这种方法在这里也得到了成功的应用。

Fig. 18. Effect of incremental number of fretting cycles per solution step, ΔN on (a) the worn profile of the flat specimen and (b) contact pressure. Total simulation number of cycles 200, coefficient of friction 0.6, normal load 120 N and stroke 20 μm.
见图18。每个溶液步骤的微振磨损循环次数增量ΔN对(a)平板试样的磨损轮廓和(B)接触压力的影响。总模拟循环次数200,摩擦系数0.6,正常载荷120 N,行程20 μm。

Fig. 19. Influence of incremental wear depth, Δh, on computational stability.
图19.磨损深度增量Δh对计算稳定性的影响。
图11、图12和表3的比较表明,随着法向载荷的增加,基于FE的方法通过低估最大磨损深度和高估磨痕宽度而低估了磨损体积。一种解释是,对于低法向载荷,施加的位移和计算的接触滑移之间的差异较小。在图8中示意性地展示了在相同的施加行程下,接触滑动随着法向载荷的增加而减小的事实,并且由于必须采用施加行程来估计磨损系数(第3节),因此基于接触滑动的磨损损坏自然会低估磨损量。 对于低的正常负载,这种低估是小的,从而获得密切的相关性。高法向载荷的深度低于预测值被认为是由于实验观察到的圆柱形表面上的碎屑滞留引起的碎屑效应,这反过来又导致接触压力增加和接触滑动减少,从而增加了接触疤痕中心的磨损深度。
图20显示了185 N情况下第18,000次循环的实测和预测力-位移环的比较。两个主要的差异之间观察到的测量和预测的循环。第一个是测量的磁滞回线的较大倾斜,反映了系统的切向柔度。第二个不同之处是,测量的环路宽度小于预测的环路宽度。初步计算表明,施加的法向和切向载荷不会引起超过屈服应力的von Mises应力,因此这些差异不能归因于塑性屈服。根据Vincent[26],环宽度可被视为近似等于半周相对滑移的平均测量值。这表明,参考图。 20,测量的滑移值小于FE预测值。这种差异可以用微动系统的位移调节来解释。Godet[8]提出的速度调节模型表明,在真实的(实验)微动系统中,施加的位移2δ*可以通过接触体、第三体(碎屑)和相关界面的变形部分地调节。这表明,所采用的有限元模型需要加强,以更真实地模拟微动条件。需要开展更多的工作,以了解和模拟碎片的机械行为及其对位移(速度)调节的影响。 这将允许预测的和测量的T-δ环更好地匹配,从而也定量识别碎片对微动磨损损伤的影响。

Fig. 20. Comparison of the FE-predicted and experimental measured tangential force vs. displacement loops for 18,000th wear cycle with a normal load of 185 N and an applied stroke of 50 μm.
图20.在185 N法向载荷和50 μm施加行程下,第18,000次磨损循环的FE预测和实验测量切向力与位移环的比较。
最后,在今后就纳入碎片影响开展这项工作之后,预计模拟结果与测量结果之间的比较将有助于估计局部磨损系数k。这种局部磨损系数的可用性,独立于接触几何形状和操作条件,将促进新的接触几何形状和条件的一般应用。
8. Conclusions 8.结论
基于修正的Archard方程,采用增量法对航空发动机用高强度合金钢的微动磨损进行了数值模拟。测量和预测的磨损表面轮廓被认为是相关的低正常负载的情况下。在高正常载荷下,预测的最大磨损深度被低估,疤痕的宽度被高估。这些差异归因于使用冲程进行磨损系数计算和未建模的碎片的影响。
在前1000个磨损循环期间,半接触宽度显著增加,增加约100%,而峰值接触压力急剧降低至初始峰值赫兹值的约40%;这些变量的后续变化速率较慢。结果表明,随着接触宽度的增加,接触压力分布逐渐趋于均匀。接触机构之间的滑动被证明是略有增加的磨损,伴随着接触压力的降低。
确定了一些用于最小化总模拟时间的技术,包括:(i)网格优化;(ii)知情使用“代表性”接触压力和滑动值,以避免模拟整个微动磨损循环;以及(iii)优化ΔN,模拟磨损循环次数的增量。本文提出了一种临界磨损深度增量技术,以避免因ΔN选择不当而引起的稳定性问题。
测量的和预测的切向力-位移环之间的差异以及相关的滑移值,已被解释为碎片的位移调节效应。
Acknowledgements 确认
作者要感谢劳斯莱斯公司的财政援助,和托马斯R。Hyde和Rolls-Royce plc的Nina Banerjee进行了有益的讨论。
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