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 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

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，設備的維修及報廢等許多問題，為經濟帶來巨大的損失，引起社會的普遍重視［1］.仿生學發現，許多生物體表面具有經過億萬年的進化優化而形成高效減阻耐磨作用的非光滑特征［2］.科研人員將這種非光滑特征，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］.

本文通過仿生改型技術改變UHMWPE試件表面的形態，以平板試件為參照，設計仿生多孔型非光滑結構試件，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力情況，忽略摩擦熱，分析摩擦副在轉動摩擦過程中的等效應力、接觸應力，考察仿生多孔結構與接觸表面狀態之間可能存在的聯系，為UH－MWPE的抗磨設計提供參考.

1.1 試驗方案

標準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，泊松比γ＝0.33，材料密度ρ＝2 780kg／m3，試件與摩擦盤偏心距為20mm；摩擦系數MU＝0.2，流體物質為牛血清和空氣，牛血清的粘度為0.0182MPa·s，密度為1 020kg／m3，空氣粘度為1.789MPa·s，密度為1.225kg／m3.

建立的結構模型試件的尺寸如下：標準試件（轉動副）：直徑×高＝30mm×10mm；仿生多孔試件（轉動副）：直徑×高＝30mm×10mm，多孔直徑為3 mm，孔間距為6.5mm，數量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×0.008mm.

1.2 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所示.

圖1 摩擦副的接觸形式以及摩擦界面示意圖

本試驗在ANSYS Workbench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）有限元網格劃分

在流場劃分網格時，需要用到布爾差集，合并交接面等操作，為了得到質量較優的網格，對潤滑膜體與上面的9個圓柱體均采用相同的網格大小0.5，采用Copper的方法對各個體進行網格劃分，劃分網格時應先對9個圓柱劃分，接著再對潤滑膜體劃分，流體網格模型如圖2所示.

圖2 標準試件與仿生試件流體網格模型

在ANSYS Workbench里劃分結構網格時，系統會自動設置單元類型為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力狀況，因而重點分析試件的應力狀況.結構模型網格如圖3所示.

圖3 標準試件與仿生試件結構網格模型

2）邊界條件

對標準試件與仿生多孔試件定義流速入口和壓力出口.標準試件流場模型的流速入口為X軸（正向）的潤滑膜側面，壓力出口為X軸（負向）的潤滑膜側面，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坐標系方向的位移都設置為零.在試件上表面壓力載荷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計算出的潤滑膜壓力場，對摩擦盤的上表面相應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

圖4為標準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，標準試件在潤滑時，出口處（X軸負向半圓弧）潤滑膜壓力處于0.021 6～0.1MPa，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軸負向的潤滑膜壓力，表明在一定偏心距的條件下，X軸正向出液量明顯大于X軸負向出液量，出液口基本在旋轉中心外側.

圖4 標準試件與仿生試件的潤滑膜壓力云圖

圖5為標準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數.從圖5可以得出，標準試件與仿生試件的空氣分布情況明顯不同，原因是標準試件與仿生試件流量速度入口與出口不同.標準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，接觸狀態良好，說明出口處基本為牛血清，符合實際情況.

圖5 標準試件與仿生試件的空氣體積分數圖

2.2 結構分析后處理

在ANSYS Workbench里計算出結果，由于在Workbench的后處理功能沒有經典ANSYS強大，且不方便單獨查看試件的應力應變情況，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果，因而將計算的結果導入到經典的ANSYS里進行后處理，結合模型試驗方案對多孔仿生結構和標準試件的轉動潤滑摩擦過程進行有限元分析.

1）轉動摩擦過程中的等效應力

圖6是標準試件與仿生試件動態轉動磨損過程中的等效應力狀態.從圖6可以看出，標準的等效應力呈現很有規律的變化，呈現從上部遞增，且小試件體的等效應力大部分處于0.092～0.105MPa，且接觸面邊緣處等效應力最大，最大值為0.181MPa.仿生多孔試件的等效應力大部分處于0.101～0.115 MPa，接觸面邊緣處等效應力最大值為0.196MPa，總體分布情況與標準試件的分布基本一致，也是呈現從上到下逐漸遞增，但孔洞附近的應力要明顯大于周圍的應力，且應力分布勻稱.

圖6 標準試件與仿生試件等效應力云圖

2）轉動摩擦過程中的接觸摩擦力

圖7為標準試件與仿生試件轉動過程中的接觸摩擦應力云圖.由圖7可以看出節點接觸摩擦應力的分布符合理論，呈現很有規律的橢圓型分布，且從里向外摩擦應力逐漸增大，最大摩擦應力為0.042 MPa.仿生試件的接觸摩擦應力與標準試件的摩擦應力分布情況明顯不同，整體上仿生試件應力也是服從由內向外逐漸增大的橢圓型分布，最大接觸摩擦應力為0.044 6MPa，但內部應力波動面積要明顯小于標準試件.

圖7 標準試件與仿生試件接觸摩擦應力云圖

3）轉動摩擦過程中的節點接觸壓力

圖8是標準試件與仿生試件轉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，標準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，因此在流出口應力較為平緩，應力大部分處于0.172～0.193MPa，流入口則出現較為明顯的應力集中現象.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，右半圓弧出現較為明顯的應力集中現象，但應力集中面積相對標準試件少50%左右，且應力大部分處于0.192～0.203MPa.

圖8 標準試件與仿生試件接觸壓力云圖

3 結 論

1）標準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，接觸狀態比標準試件較好.

2）標準試件的應力分布狀態呈現很有規律的圓形環帶狀分布，且從里向外應力逐漸增大，而仿生試件應力分布極具有連續性，且孔洞附近的應力要明顯大于周圍的應力，但應力分布勻稱.

3）同等壓力載荷等轉速條件下，整體上仿生多孔試件的應力大于標準試件，但多孔的存在，接觸狀態改善，加快了對外力的響應速度，應力分布較為均勻.

［1］ 溫詩鑄.摩擦學原理［M］.3版.北京：清華大學出版社，2008：340.

［2］ 周平安.磨損失效分析及耐磨材料的現狀和展望［J］.鑄造，2000，49（1）：23－25.

［3］ 吳 剛.仿生多孔超高分子量聚乙烯的摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學學報，2007，27（6）：539－544.

［4］ 郝建峰.仿生通孔結構鋁合金試件耐磨性研究及有限元模擬［D］.長春：吉林大學，2010.

［5］ 叢 茜，張宏濤，金敬福，等.仿生非光滑通孔耐磨機制有限元分析［J］.潤滑與密封，2007，32（1）：31－34.

［6］ 叢 茜，金敬福，張宏濤，等.仿生非光滑表面在混合潤滑狀態下的摩擦性能［J］.吉林大學學報：工學版，2006，36（3）：363－366.