仿生多孔摩擦過程的流固耦合非線性分析

仿生多孔摩擦過程的流固耦合非線性分析仿生多孔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)機械與材料學(xué)院，湖北宜昌443002)摘要：利用ANSYS軟件，以牛血清作潤滑劑，以平板試件為對照組，設(shè)計了仿生多孔形態(tài)試件，并在相同約束，相同載荷，相同轉(zhuǎn)速條件下，進行了兩種試件的耐磨機制流固耦合非線性分析，分析了兩者的等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力變化情況。關(guān)鍵詞：仿生；多孔；流固耦合；FrictioncourseofbionicporousUHMWPEintheanalysisoffluid-solidcouplingnonlinearChenShuang-KunHuangCan-ChaoWuGang(CollegeofMechanical&Material,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,443002,China)Abstract:ApplyingthesoftwareofANSYS,withbovineserumasalubricant，theflatspecimenascontrolgroup,bionicmulti-holeformspecimensweredesigned,inthesameconstraint,loadandspeedconditions,fluid-solidcouplingnonlinearanalysisisaboutthewear-resistingmechanismofbionicmulti-holespecimenandtheflatspecimenwasgiven,thechangeoftheequivalentstress,contactstressofthetwowasanalyzed.Keywords:bionic;multi-hole;fluid-solidcoupling;摩擦作為機械及零部件失效的重要因素之一，造成機械性能和零部件使用壽命的降低，設(shè)備的維修及報廢等許多問題，為經(jīng)濟帶來巨大的損失，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)過億萬年的進化優(yōu)化而形成高效減阻耐磨作用的非光滑特征[2]?？蒲腥藛T將這種非光滑特征，運用到摩擦副表面，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]。本文作者通過仿生改型技術(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UHMWPE的抗磨設(shè)計提供參考。1.1試驗方案標(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γ=0.33，材料密度ρ=2780kg/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1020kg/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3mm，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×0.008mm1.2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(a)與圖1（b）。（a）試件與摩擦盤示意圖圖1(b)摩擦界面示意圖圖1摩擦副的接觸形式以及摩擦界面示意圖本試驗在ANSYSWorkbench中進行，首先在Fluent中進行潤滑膜流體分析，然后在Workbench進行接觸非線性分析，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，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的方法對各個體進行劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格時應(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。在ANSYSWorkbench里劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格時，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，且本次試驗著重考察試件的應(yīng)力狀況，因而重點分析試件的應(yīng)力狀況。結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格如圖3所示。(a)標(biāo)準(zhǔn)試件流體網(wǎng)格模型(b)仿生試件流體網(wǎng)格模型圖2標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件流體網(wǎng)格模型(a)標(biāo)準(zhǔn)試件結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型(b)仿生試件結(jié)構(gòu)模型圖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。在試件上表面施加壓力載荷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計算的出潤滑膜壓力場，對摩擦盤的上表面施加相應(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(a)標(biāo)準(zhǔn)試件潤滑膜壓力（Pa）(b)仿生試件潤滑膜壓力云圖（Pa）圖4標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件的潤滑膜壓力云圖圖4為標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件分別在Fluent中進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，出口處（X軸負(fù)向半圓?。櫥毫μ幱?.0216～0.1MPa，可見出口有大量牛血清；而仿生試件在潤滑時，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，表明在一定的偏心距的條件下，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)。(a)標(biāo)準(zhǔn)試件空氣體積分?jǐn)?shù)（%）(b)仿生試件空氣體積分?jǐn)?shù)（%）圖5標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件的空氣體積分?jǐn)?shù)圖圖5為標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件分別在Fluent中進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，符合實際情況。2.2結(jié)構(gòu)分析后處理在ANSYSWorkbench里計算出結(jié)果，由于在Workbench的后處理功能沒有經(jīng)典ANSYS強大，且不方便單獨查看試件的應(yīng)力應(yīng)變情況，而ANSYS具有十分強大的后處理功能，能夠以眾多的手段來展示模擬的結(jié)果，因而筆者將計算的結(jié)果導(dǎo)入到經(jīng)典的ANSYS里進行后處理，結(jié)合模型試驗方案對多孔仿生結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)試件的轉(zhuǎn)動潤滑摩擦過程進行有限元分析。轉(zhuǎn)動摩擦過程中的等效應(yīng)力(a)標(biāo)準(zhǔn)試件等效應(yīng)力(MPa)(b)仿生試件等效應(yīng)力(MPa)圖6標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件等效應(yīng)力云圖圖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0.101～0.115MPa，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。2)轉(zhuǎn)動摩擦過程中的接觸摩擦力(a)標(biāo)準(zhǔn)試件接觸摩擦應(yīng)力(MPa)(b)仿生試件接觸摩擦應(yīng)力(MPa)圖7標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件接觸摩擦應(yīng)力云圖圖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0.042MPa。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0.0446MPa，但內(nèi)部應(yīng)力波動面積要明顯小于標(biāo)準(zhǔn)試件。3)轉(zhuǎn)動摩擦過程中的節(jié)點接觸壓力(a)標(biāo)準(zhǔn)試件接觸壓力(MPa)(b)仿生試件接觸壓力(MPa)圖8標(biāo)準(zhǔn)試件與仿生試件接觸壓力云圖圖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。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。參考文獻[1]溫詩鑄.摩擦學(xué)原理[M].第3版北京:清華大學(xué)出版社,2008.9,340.[2]周平安.磨損失效分析及耐磨材料的現(xiàn)狀和展望[J].鑄造,2000,49(1):23-25.[3]吳剛等.仿生多孔超高分子量聚乙烯的摩擦磨損性能研究.摩擦學(xué)學(xué)報,2007,27(6):539-544.[4]郝建峰.仿生通孔結(jié)構(gòu)鋁合金試件耐磨性研究及有限元模擬.[碩士論文]:長春:吉林大學(xué),2010.[5]叢茜,張宏濤,金敬福,郝建峰等.仿生非光滑通孔耐磨機制有限元分析.潤滑與密封,2007,32(1):31-34.[6]叢茜,金敬福,張宏濤,任露泉等.仿生非光滑表面在混合潤滑狀態(tài)下的摩擦性能.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2006,36(3):363-366.存在的問題：論文第1段第3行“許多生物體表……”后是否應(yīng)為“表面”。許多生物體表面論文只有標(biāo)題1，3，4，缺標(biāo)題2的內(nèi)容。（已改）論文標(biāo)題“（2)邊界條件”,而沒有標(biāo)題(1)的內(nèi)容。（已改）標(biāo)題3.1中最后一段倒數(shù)第2行，以及標(biāo)題4結(jié)論中“大于右伴圓弧流量”中的“伴”應(yīng)為半。（已改）圖5中圖(a)與圖(b)中摩擦力的單位是（MPa），請核實。一般摩擦力的單位是牛頓（N）。圖5中圖(a)與圖(b)中摩擦應(yīng)力的單位是（MPa），（已改）評審意見論文作者應(yīng)考慮以下幾個問題：首先，論文的主題是流固耦合，涉及的內(nèi)容應(yīng)有流體部分和固體結(jié)構(gòu)兩部分的力學(xué)分析，但論文沒有給出流體分析模型，而是直接給出了由Fluent軟件計算的結(jié)果。論文對流固耦合分析中由流體到固體的耦合分析方法敘述較少，讀者無法知道作者是直接應(yīng)用ANSYS軟件進行流固耦合分析的，還是間接進行的，而前一種方法對兩種狀態(tài)中的模型的耦合面的處理有特殊要求，兩種方法的耦合度也不同。Ansys包括Ansysworkbench和fluent,這一點本文已經(jīng)說過了現(xiàn)在Ansysworkbench里進行間接的流固耦合分析，然后將結(jié)果導(dǎo)入經(jīng)典ansys里進行結(jié)果后處理。對于論文中圖2所示的受力情況，由于沒有給出流體分析模型與相應(yīng)的邊界條件，因此讀者無法得知潤滑劑加入的方式與潤滑情況，也無法評價Fluent分析的合理性與正確性。作者在論文中也沒有對圖2中出現(xiàn)的兩種不同受力情況，從流體動動壓潤滑理論方面做進一步分析和解釋。已給出流體模型與相應(yīng)的邊界條件，油膜壓力與應(yīng)力之間的聯(lián)系在論文后面已有所解釋。對于圖2和圖3的云圖，只能從圖中軟件自帶的標(biāo)識得知是由Fluent計算得到的潤滑油膜壓力云圖和空氣體積分?jǐn)?shù)，沒有在小標(biāo)題或其中的文字說明中說明是由Fluent得到的計算云圖。在對圖2的說明中，有“出口”、“偏心距”等詞，如果對照模型圖1，很難找到對應(yīng)的位置，而這些參數(shù)對潤滑的影響是較大的。最好能在圖1的中標(biāo)識出試樣名稱、動試樣的轉(zhuǎn)動方向、受力，或潤滑劑的入口與出口等信息。（文字說明中