仿生多孔摩擦过程的流固耦合非线性分析

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；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;摩擦作为机械及零部件失效的重要因素之一，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=3.0×109Pa，泊松比γ=0.25，材料密度ρ=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=74.2×109Pa，泊松γ=0.33，材料密度ρ=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1.225kg/m3。建立的结构模型试件的尺寸如下：标准试件（转动副）：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ANSYSWorkbench中进行，首先在Fluent中进行润滑膜流体分析，然后在Workbench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ANSYSWorkbench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0.172～0.193MPa，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0.192～0.203MPa。3结论（1）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；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].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1，3，4，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：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Ansysworkbench和fluent,这一点本文已经说过了现在Ansysworkbench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。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。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）其次，图4显示的等效应力和图5显示的摩擦力是由什么样的模型、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0.092～0.105MPa”和”0.101～0.115MPa”的说法，通过观察云图分布可以直接来断定。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，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）图6的说明中，有“应力集中