仿生多孔摩擦过程的流固耦合非线性分析

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1、仿生多孔UHMWPE摩擦过程的流固耦合非线性分析 陈双坤 吴刚 黄灿超(三峡大学机械与材料学院，湖北宜昌 443002)摘要：利用ANSYS 软件，以牛血清作润滑剂，以平板试件为对照组，设计了仿生多孔形态试件，并在相同约束，相同载荷，相同转速条件下，进行了两种试件的耐磨机制流固耦合非线性分析，分析了两者的等效应力、接触应力变化情况。 关键词：仿生；多孔；流固耦合；Friction course of bionic porous UHMWPE in the analysis of fluid-solid coupling nonlinear Chen Shuang-Kun Huang Can -

2、Chao Wu Gang(College of Mechanical & Material, China Three Gorges University, Yi chang, 443002, China)Abstract: Applying the software of ANSYS, with bovine serum as a lubricant，the flat specimen as control group, bionic multi-hole form specimens were designed, in the same constraint, load and speed

3、conditions, fluid-solid coupling nonlinear analysis is about the wear-resisting mechanism of bionic multi-hole specimen and the flat specimen was given, the change of the equivalent stress, contact stress of the two was analyzed.Key words: bionic; multi-hole; fluid-solid coupling; 摩擦作为机械及零部件失效的重要因素之

4、一，造成机械性能和零部件使用寿命的降低，设备的维修及报废等许多问题，为经济带来巨大的损失，引起社会的普遍重视1。仿生学发现,许多生物体表面具有经过亿万年的进化优化而形成高效减阻耐磨作用的非光滑特征2。科研人员将这种非光滑特征，运用到摩擦副表面，试图提高零部件工作表面耐磨性能的研究，已取得许多重要的科研成果3-6。本文作者通过仿生改型技术改变UHMWPE试件表面的形态，以平板试件为参照，设计仿生多孔型非光滑结构试件，并利用大型有限元软件ANSYS模拟UHMWPE与硬铝合金在以牛血清作润滑液条件下的接触摩擦应力情况，忽略摩擦热，分析摩擦副在转动摩擦过程中的等效应力、接触应力，考察仿生多孔结构与接触

5、表面状态之间可能存在的联系，为UHMWPE的抗磨设计提供参考。1.1试验方案 标准试件和仿生多孔试件的材料均为UHMWPE，其材料属性为：弹性模量Ex=3.0109Pa，泊松比=0.25，材料密度=937kg/m3；固定的摩擦盘的材料为硬铝合金LY12，其材料属性为：弹性模量Ex=74.2109Pa，泊松=0.33，材料密度=2780kg/m3，试件与摩擦盘偏心距为20mm;摩擦系数MU=0.2，流体物质为牛血清和空气，牛血清的粘度为0.0182MPa.s，密度为1020kg/m3，空气粘度为1.789Mpa.s，密度为1.225 kg/m3。建立的结构模型试件的尺寸如下： 标准试件（转动副）

6、： 直径 高 =30mm 10mm；仿生多孔试件（转动副）： 直径 高 =30mm 10mm，多孔直径为3mm，孔间距为6.5mm，数量9个，全部为通孔；摩擦盘（固定）： 直径 高 =80mm 5mm ；建立的流体模型尺寸如下：9小圆柱尺寸为： 直径高 = 3mm 10mm润滑膜体尺寸为： 直径高 = 30mm 0.008mm1.2 摩擦副的接触形式摩擦副的接触形式以及摩擦界面，如图1(a)与图1（b）。（a） 试件与摩擦盘示意图 图1(b) 摩擦界面示意图图1 摩擦副的接触形式以及摩擦界面示意图本试验在ANSYS Workbench中进行，首先在Fluent中进行润滑膜流体分析，然后在Wor

7、kbench进行接触非线性分析，采用间接耦合的方式。2 流固耦合非线性分析（1）有限元网格划分 在流场划分网格时，需要用到布尔差集，合并交接面等操作，为了得到质量较优的网格，对润滑膜体与上面的9个圆柱体均采用相同的网格大小0.5，采用copper的方法对各个体进行划分网格，划分网格时应先对9个圆柱划分，接着再对润滑膜体划分，流体网格模型如图2所示。在ANSYS Workbench 里划分结构网格时，系统会自动设置单元类型为solid186，接触摩擦采用库伦摩擦,由于摩擦具有非线性、大变形等特点，且本次试验着重考察试件的应力状况，因而重点分析试件的应力状况。结构模型网格如图3所示。(a) 标准试

8、件流体网格模型 (b) 仿生试件流体网格模型图2 标准试件与仿生试件流体网格模型 (a) 标准试件结构网格模型 (b) 仿生试件结构模型 图3 标准试件与仿生试件结构网格模型 （2）边界条件对标准试件与仿生多孔试件定义流速入口和压力出口。标准试件流场模型的流速入口为X轴（正向）的润滑膜侧面，压力出口为X轴（负向）的润滑膜侧面，其余为壁面；仿生多孔试件流场模型的流速入口为9个直径是3mm顶部的圆柱面，压力出口为整个润滑膜的侧面，其余为壁面。第一个载荷步（约束条件），在摩擦盘的底面施加固定约束，为了使圆形滑道固定不动，将滑道底面 x、y和z坐标系方向的位移都设置为零。在试件上表面施加压力载荷80N

9、， 对小试件施加体的角速度80r/min。对小试件的下表面施加来自fluent计算的出润滑膜压力场，对摩擦盘的上表面施加相应的接触部位施加润滑膜压力场。2.1润滑膜流场分析后处理(a) 标准试件润滑膜压力（Pa） (b) 仿生试件润滑膜压力云图（Pa）图4 标准试件与仿生试件的润滑膜压力云图图4 为标准试件与仿生试件分别在Fluent中进行流体分析得出的润滑膜压力云图。由图2可知，标准试件在润滑时，出口处（X轴负向半圆弧）润滑膜压力处于0.02160.1MPa，可见出口有大量牛血清；而仿生试件在润滑时，整个圆弧边都出现牛血清，润滑膜压力处于0.0260.095MPa，整个圆周都存在润滑膜承载力

10、，可以有效但X轴正向的润滑膜压力明显大于X轴负向的润滑膜压力，表明在一定的偏心距的条件下， X轴正向出液量明显大于X轴负向出液量，出液口基本在旋转中心外侧。 (a) 标准试件空气体积分数（%） (b) 仿生试件空气体积分数（%） 图5 标准试件与仿生试件的空气体积分数图 图5为标准试件与仿生试件分别在Fluent中进行流体分析得出的空气体积分数。从图5可以得出，标准试件与仿生试件的空气分布情况明显不同，原因是标准试件与仿生试件流量速度入口与出口不同。标准试件的流量出口处为右半圆弧，呈月型分布，占总面积的25%左右，说明出口处基本为牛血清；仿生试件流量出口为整个圆弧，且左半圆弧流量大于右半圆弧流

11、量，占总面积的35%左右，中间65%的面积为空气，接触状态良好，说明出口处基本为牛血清，符合实际情况。 2.2结构分析后处理在ANSYS Workbench 里计算出结果，由于在Workbench的后处理功能没有经典ANSYS强大，且不方便单独查看试件的应力应变情况，而ANSYS具有十分强大的后处理功能，能够以众多的手段来展示模拟的结果，因而笔者将计算的结果导入到经典的ANSYS里进行后处理，结合模型试验方案对多孔仿生结构和标准试件的转动润滑摩擦过程进行有限元分析。 1） 转动摩擦过程中的等效应力(a) 标准试件等效应力(MPa) (b) 仿生试件等效应力(MPa)图6 标准试件与仿生试件等效

12、应力云图图6是标准试件与仿生试件动态转动磨损过程中的等效应力状态。从图6可以看出，标准的等效应力呈现很有规律的变化，呈现从上部递增，且小试件体的等效应力大部分处于0.0920.105MPa，且接触面边缘处等效应力最大，最大值为0.181MPa。仿生多孔试件的等效应力大部分处于0.1010.115MPa，接触面边缘处等效应力最大值为0.196MPa，总体分布情况与标准试件的分布基本一致，也是呈现从上到下逐渐递增，但孔洞附近的应力要明显大于周围的应力，且应力分布匀称。2) 转动摩擦过程中的接触摩擦力 (a) 标准试件接触摩擦应力(MPa) (b) 仿生试件接触摩擦应力(MPa) 图7 标准试件与仿

13、生试件接触摩擦应力云图 图7为标准试件与仿生试件转动过程中的接触摩擦应力云图。由图7可以看出节点接触摩擦应力的分布符合理论，呈现很有规律的椭圆型分布，且从里向外摩擦应力逐渐增大，最大摩擦应力为0.042MPa。仿生试件的接触摩擦应力与标准试件的摩擦应力分布情况明显不同，整体上仿生试件应力也是服从内向外逐渐增大的椭圆型分布，最大接触摩擦应力为0.0446MPa，但内部应力波动面积要明显小于标准试件。3)转动摩擦过程中的节点接触压力 (a) 标准试件接触压力(MPa) (b) 仿生试件接触压力(MPa) 图8 标准试件与仿生试件接触压力云图 图8是标准试件与仿生试件转动过程中的接触压力云图。从图8

14、可以看出，在润滑的条件下，标准试件的流量流出口为右半圆弧，油膜压力也主要分布在右半圆弧，油膜对试件底面施加相同的反作用力，减小了一部分试件底面所受的力，因此在流出口应力较为平缓，应力大部分处0.1720.193MPa，流入口则出现较为明显的应力集中现象。而仿生试件流出口为整个圆弧，右半圆弧的流量明显小于左半圆弧的流量，右半圆弧的油膜压力明显小于左半圆弧的油膜压力，故而右半圆弧油膜对试件底面施加的反作用力要小于左半圆弧，因此，右半圆弧出现较为明显的应力集中现象，但应力集中面积相对标准试件少50%左右，且应力大部分处于0.1920.203MPa。3 结论（1）标准试件的流量出口处为右半圆弧，呈月型

15、分布，占总面积的25%左右；仿生试件流量出口为整个圆弧，且左半圆弧流量大于右半圆弧流量，占总面积的35%左右，中间65%的面积为空气，接触状态比标准试件较好。 （2）标准试件的应力分布状态呈现很有规律的圆形环带状分布，且从里向外应力逐渐增大，而仿生试件应力分布极具有连续性，且孔洞附近的应力要明显大于周围的应力，但应力分布匀称。（3）同等压力载荷等转速条件下，整体上仿生多孔试件的应力大于标准试件，但多孔的存在，接触状态改善，加快了对外力的响应速度，应力分布较为均匀。参考文献1 温诗铸.摩擦学原理M.第3版北京:清华大学出版社,2008.9,340.2 周平安.磨损失效分析及耐磨材料的现状和展望J

16、.铸造,2000,49(1):23-25.3 吴刚等.仿生多孔超高分子量聚乙烯的摩擦磨损性能研究.摩擦学学报,2007,27(6):539-544.4 郝建峰.仿生通孔结构铝合金试件耐磨性研究及有限元模拟.硕士论文:长春:吉林大学,2010.5 丛茜,张宏涛,金敬福,郝建峰等.仿生非光滑通孔耐磨机制有限元分析.润滑与密封,2007,32(1): 31-34.6 丛茜,金敬福,张宏涛,任露泉等.仿生非光滑表面在混合润滑状态下的摩擦性能.吉林大学学报(工学版),2006,36(3): 363-366.存在的问题：论文第1段第3行“许多生物体表”后是否应为“表面”。 许多生物体 表面论文只有标题1，

17、3，4，缺标题2的内容。 （已改）论文标题“（2)边界条件”,而没有标题(1)的内容。（已改）标题3.1中最后一段倒数第2行，以及标题4结论中“大于右伴圆弧流量”中的“伴”应为半。 （已改）图5中图(a)与图(b)中摩擦力的单位是（MPa），请核实。一般摩擦力的单位是牛顿（N）。图5中图(a)与图(b)中摩擦应力的单位是（MPa），（已改）评审意见论文作者应考虑以下几个问题：1） 首先，论文的主题是流固耦合，涉及的内容应有流体部分和固体结构两部分的力学分析，但论文没有给出流体分析模型，而是直接给出了由Fluent软件计算的结果。论文对流固耦合分析中由流体到固体的耦合分析方法叙述较少，读者无法知

18、道作者是直接应用ANSYS软件进行流固耦合分析的，还是间接进行的，而前一种方法对两种状态中的模型的耦合面的处理有特殊要求，两种方法的耦合度也不同。Ansys包括Ansys workbench和fluent,这一点本文已经说过了现在Ansys workbench里进行间接的流固耦合分析，然后将结果导入经典ansys里进行结果后处理。2） 对于论文中图2所示的受力情况，由于没有给出流体分析模型与相应的边界条件，因此读者无法得知润滑剂加入的方式与润滑情况，也无法评价Fluent分析的合理性与正确性。作者在论文中也没有对图2中出现的两种不同受力情况，从流体动动压润滑理论方面做进一步分析和解释。已给出流

19、体模型与相应的边界条件，油膜压力与应力之间的联系在论文后面已有所解释。 3） 对于图2和图3的云图，只能从图中软件自带的标识得知是由Fluent计算得到的润滑油膜压力云图和空气体积分数，没有在小标题或其中的文字说明中说明是由Fluent得到的计算云图。在对图2的说明中，有“出口”、“偏心距”等词，如果对照模型图1，很难找到对应的位置，而这些参数对润滑的影响是较大的。最好能在图1的中标识出试样名称、动试样的转动方向、受力，或润滑剂的入口与出口等信息。（文字说明中已说明是由Fluent得到的计算云图，偏心距已定义20mm, 润滑剂的入口与出口已补充）4） 其次，图4显示的等效应力和图5显示的摩擦力

20、是由什么样的模型、在什么条件下仿真计算得到的？因此由图4及图5所示的状况，无法说明是由图1所示模型在转动和润滑作用下获得的。图4说明中的“上部”位置不清，必要时可考虑用A或B在图中标出。文中有“大部分处于0.105MPa”和”0.115MPa”的说法较模糊，如果用节点的应力曲线图再加以说明，则能更好的说明问题。图4显示的等效应力和图5显示的摩擦应力是， 在试件上表面施加压力80N ，小试件转速80r/min,以牛血清做润滑剂，接触摩擦应力是呈椭圆（圆是椭圆特殊情况）分布。文中有大部分处于0.105MPa”和”0.115MPa”的说法较模糊已更改为“大部分处于0.0920.105MPa”和”0.

21、1010.115MPa”的说法，通过观察云图分布可以直接来断定。5） 在图5的文字说明中，有“极具有连（续）性”和“响应速度加快”语句，对此结论都应有相应的对比数据来说明。例如“响应速度”，在文中并没有与时间有关的数据来体现它。这部分分析内容与流固耦合分析有何关系？如果与流固耦合分析无关，则这两个图打断了论文的流固耦合分析（图2与图6）的连续性。如想作为附加分析，可考虑放到后面去。极具有连（续）性，响应速度加快，这是从云图观察得出6） 图6所示的结果应该是流固耦合分析中结构力学的分析结果，但在论文中没有说明图6是如何得到的。图6与图2之间如何转换，应该是流固耦合分析的重点之一，此处不加以说明，

22、对于论文的连贯性以及分析结果的正确性都有影响。图6中的流体出口说明与图2中所述的出口方向不一致，请考虑一下其原因。（油膜压力对应力影响已分析，图6中的流体出口说明与图2中所述的出口方向不一致是因为自己不仔细弄错了，已改正）7） 图6的说明中，有“应力集中面积相对标准试件少50%左右”语句，这个结论是如何得到的？应力集中最大处的面积(云图中红色与黄色部分)几乎为标准试件的1/2 8）最后，文中摘要中、第2段第3行，标题3.2中子标题1)和2）中都出现了“磨损”一词，而在整个论文中主要涉及的是摩擦过程中的受力分析，没有关于磨损方面的研究。 文中有关 “磨损”的一词的确有点不妥，均已该为“摩擦”论文中给出的材料参数最好能给出来源，所施加的边界条件，也最好能说明取值原因（如论文中的载荷80N和转速80r/min）。由于试件材料为UHMWPE,载荷与转速取值都不能过大，否则会产生大的变形。