新型船用鋼板與Al₂O₃球的摩擦磨損性能測試與模擬

王東勝 王士月 樓雪瑩 沈樹陽 常雪婷 孫士斌 尹衍升

摘要：為研究新型船用鋼板的摩擦磨損性能，用UMT-3 TriboLab摩擦磨損試驗機測試這種鋼板在不同環(huán)境溫度下的摩擦因數(shù)（載荷為50 N、往復(fù)速度50 mm/s），用白光干涉儀測量試樣磨痕截面輪廓線，用ABAQUS對Al2O3球與這種鋼板組成的摩擦副建模。將測量得到的相關(guān)參數(shù)輸入到計算模型中，采用區(qū)域網(wǎng)格劃分方法對接觸變形過程進行模擬，得到接觸區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變和塑性變形。結(jié)果表明：在球與鋼板接觸初期，在同等載荷情況下，鋼板的磨損量隨溫度的降低而增加;摩擦磨損過程中的溫升、過渡層和磨屑對摩擦磨損行為有一定的影響;采用區(qū)域網(wǎng)格劃分方法可以有效計算鋼板的理論應(yīng)變和磨痕截面輪廓線;由于摩擦磨損過程中溫升、磨屑等因素的存在，基于赫茲接觸理論的有限元模擬結(jié)果與實際磨損結(jié)果有一定的誤差，試驗環(huán)境溫度越低，該誤差就越小。

關(guān)鍵詞：船用鋼板; 磨損; 有限元; ABAQUS

中圖分類號： ?U661.4;TB115.1

文獻標(biāo)志碼： ?A

Abstract：To investigate the friction and wear performance of new marine steel plate， UMT-3 TriboLab friction and wear tester is used to test friction factors of the steel plate at different environment temperatures （the load of 50 N and the reciprocating speed of 50 mm/s）， the white light interferometer is used to measure the cross section profile of the wear scar， and ABAQUS is used to model the friction pair composed of Al2O3 ball and the steel plate. The measured parameters are put into the calculation model. The contact deformation process is simulated to get the stress， strain and plastic deformation of the contact area， where the method of regional mesh division is adopted. Results show that： at the initial stage of contact between the ball and the steel plate under the same load， the wear volume of the steel plate increases with the decrease of temperature; the temperature rise， the transition layer and the wear debris in the process of friction and wear have some effects on friction and wear behavior; because of the regional mesh division method， the theoretical strain of the steel plate and the cross section profile curve of the wear scar can be calculated effectively; due to the existence of temperature rise， wear debris and other factors in friction and wear process， the finite element simulation results based on Hertz contact theory have some errors compared with the actual wear results， and the lower the temperature of test environment， the smaller the error caused by the above factors.

Key words：marine steel plate; wear; finite element; ABAQUS

0 引 言

隨著全球氣候變暖，極地的海冰覆蓋區(qū)域逐漸減小，這對極地航道的開發(fā)起到積極的作用。極地蘊含有豐富的礦產(chǎn)和漁業(yè)資源。近年來，隨著我國綜合國力的提高和各種技術(shù)的不斷進步，對極地的勘探和科學(xué)研究逐漸成為關(guān)注熱點[1-2]。這些行為的開展都離不開能夠在寒區(qū)和冰面覆蓋區(qū)域航行的專業(yè)船舶，因此極地破冰船技術(shù)的發(fā)展成為進行極地考察、極地資源開發(fā)、極地運輸?shù)暮诵囊亍?/p>

極地船舶在極地的最低服役溫度達到-70 ℃，平均工作環(huán)境溫度為-20 ℃。極地船舶也會在全球海域航行，在航行過程中船體鋼板在重力和海水浮力的共同作用下會受到各種應(yīng)力作用，還會因水面和水下溫差發(fā)生體積變化從而產(chǎn)生巨大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力[3];當(dāng)船舶在冰區(qū)航行時，冰層的連續(xù)撞擊和摩擦?xí)勾娩摪瀹a(chǎn)生疲勞和塑性變形，同時由于船上機器的振動，船上安裝的各種設(shè)備會對船用鋼板產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致零件或鋼板磨損失效。目前國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)側(cè)重于對破冰船的船體型線、破冰方法對破冰性能的影響進行相關(guān)研究[4-6]，但對破冰船用鋼板在不同沖擊載荷下的摩擦磨損性能、腐蝕性能的研究較少。

長期以來，材料的摩擦磨損性能受到了廣泛的關(guān)注，為分析金屬材料的摩擦磨損機制，相關(guān)學(xué)者[7-11]先后通過搭建不同的試驗環(huán)境對316L不銹鋼、AISI321鋼、GCr15鋼、Ti6Al4V合金及Ti-20Zr-6.5Al-4V合金進行了不同方面的摩擦學(xué)性能測試，研究載荷、速度、組織、介質(zhì)、環(huán)境等因素對材料的摩擦磨損性能的影響。這些測試需要依賴大量的輔助設(shè)備，同時也需要耗費一定的人力和物力，甚至一些試驗條件在實驗室內(nèi)無法得到滿足，這給研究工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。隨著摩擦學(xué)理論的不斷發(fā)展，通過試驗得到的各種理論計算模型得以建立，并且計算機強大的計算能力和有限元分析軟件的開發(fā)應(yīng)用更加有利于通過數(shù)學(xué)建模的方式來計算、推導(dǎo)、驗證材料的摩擦學(xué)行為，這方面的研究見文獻[12-16]。然而，在船用鋼板在低溫條件下的摩擦磨損機制的研究上，國內(nèi)外只有少量的文獻[17-21]進行了部分試驗和模擬，其中對低溫和應(yīng)力共同作用下的研究則更少。

鑒于目前國內(nèi)市場上還沒有適合破冰船使用的專用鋼板，本項目組和寶山鋼鐵股份有限公司聯(lián)合研發(fā)了一種專門用于極地破冰船的新型船用鋼板并進行了相關(guān)研究[22-23]。為了測試新型船用鋼板的摩擦磨損性能，鑒于尚沒有關(guān)于新型船用鋼板的摩擦性能的研究數(shù)據(jù)，本文嘗試采用試驗與ABAQUS結(jié)合的方法研究該鋼板在低溫環(huán)境下的摩擦學(xué)行為。通過試驗獲取材料的關(guān)鍵摩擦性能參數(shù)，然后利用ABAQUS建立數(shù)學(xué)模型，并將計算結(jié)果與實際摩擦磨損結(jié)果進行對比，以驗證有限元模型的可靠性，從而為極地破冰船的摩擦學(xué)行為研究提供新的方法和補充。

1 摩擦磨損試驗

1.1 摩擦磨損材料制備及參數(shù)選擇

當(dāng)球與鋼板發(fā)生接觸時，由于球和鋼板表面無法實現(xiàn)完全理想化的平整，這會使球與鋼板的接觸面積減少，進而導(dǎo)致兩者之間的接觸應(yīng)力增加。材料的摩擦磨損過程受到多種因素的影響，如磨粒、溫升、過渡層、介質(zhì)、環(huán)境溫度等[29-31];有限元分析結(jié)果與建模類型、網(wǎng)格劃分、算法使用、接觸方式定義、模擬時間參數(shù)等密切相關(guān)。為建立新型船用鋼板摩擦行為的數(shù)學(xué)模型，盡量保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和避免不必要的干擾因素，并減少計算時間，共進行3組摩擦磨損試驗，每組3個平行樣在有限元模型中設(shè)定球的法向載荷為50 N，往復(fù)試驗時間為2 s，環(huán)境溫度分別為（20±2）℃、（0±2）℃和（-20±2）℃，相對濕度為（30±5）%。在摩擦磨損試驗中，環(huán)境溫度通過專門的低溫環(huán)境腔及其控溫系統(tǒng)實現(xiàn)，采用布魯克Contour GT-I型白光干涉儀觀察試件摩擦前表面形貌、摩擦后磨痕形貌和摩擦斷面曲線。

1.2 船用鋼板的摩擦磨損試驗

根據(jù)試驗傳感器實時記錄的試樣所承受的縱向壓力Fz和切向力Fx，繪制出摩擦因數(shù)隨時間變化的曲線（見圖3a）。由于鋼板的初始狀態(tài)為拋光狀態(tài)，表面粗糙度較低，球與鋼板的接觸狀態(tài)與理想的赫茲應(yīng)力接觸狀態(tài)較為接近，兩者之間的摩擦因數(shù)較小（普遍低于0.1）;隨著往復(fù)摩擦試驗的進行，摩擦因數(shù)不斷增加。當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃和20 ℃時，鋼板的摩擦因數(shù)隨著摩擦行為的進行逐漸增加;當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時，摩擦因數(shù)先增加后降低，這是由于低溫狀態(tài)下材料表面溫升較慢，黏附磨損出現(xiàn)的概率減小。為使模型輸入變量盡可能貼合實際試驗數(shù)據(jù)，對圖3a的摩擦因數(shù)曲線進行分區(qū)域均值處理，分區(qū)域周期為0.1 s，即將試驗時間以0.1 s為單位劃分為20個區(qū)間，每個區(qū)間的摩擦因數(shù)均用該區(qū)間時段的平均摩擦因數(shù)代替，處理結(jié)果見圖3b。將經(jīng)過均值處理的摩擦因數(shù)輸入ABAQUS有限元計算模型中。

2 船用鋼板的摩擦磨損模擬

2.1 模型建立

2.1.1 實體建模

試驗中Al2O3球與船用鋼板組成摩擦副，在用ABAQUS建模時，由于摩擦行為只發(fā)生在球體的下側(cè)，可以只建立半球體的模型，然后通過裝配功能將半球體和船用鋼板模型結(jié)合到統(tǒng)一的界面中，再通過建立“kinematic contact”摩擦接觸關(guān)系將兩者聯(lián)系，從而建立球-板往復(fù)摩擦副接觸模型。在球面與試樣鋼板間分配如圖3b所示的摩擦因數(shù)，以盡可能地體現(xiàn)實際接觸過程中摩擦因數(shù)的變化情況;在約束定義中，為模擬球體的往復(fù)摩擦情況，以半球體球心作為參考點將試樣鋼板底面設(shè)置為全自由度約束，建立參考點與半球體球面的耦合關(guān)系;在半球體上施加縱向載荷，定義滑動方向、位移和往復(fù)頻率，同時將半球體其他方向的速度自由度完全約束，這樣即可實現(xiàn)如圖6所示的往復(fù)摩擦運動。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

為建立明確的分界線以生成合理均勻的網(wǎng)格，在網(wǎng)格劃分前需要先對模型進行區(qū)域劃分。在接觸模型中，Al2O3陶瓷球的材料為高強度材料，硬度高，幾乎沒有塑性變形，可以將其視為完全剛性體。由于四面體網(wǎng)格生成法在計算效率、可靠性和幾何通用性上具有較大優(yōu)勢，因此對半球體采用四面體網(wǎng)格生成法。根據(jù)半球體的曲面軸對稱特點，將半球體分割成8個大小一致的四面體。相對于四面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格在數(shù)值計算上具有精度更高、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量更少等優(yōu)勢。為更加精細(xì)地模擬鋼板的變形和受力情況，對鋼板采用六面體網(wǎng)格生成法。

網(wǎng)格（尤其是與接觸區(qū)域相鄰的網(wǎng)格）劃分的密度對模擬結(jié)果有重要的影響，相對較小的網(wǎng)格單元可以更好地反映材料的應(yīng)力應(yīng)變情況。對硬度較大的半球體，選擇的網(wǎng)格尺寸從對磨區(qū)域中心的35 μm逐漸向外圍擴大至2 mm;鋼板的網(wǎng)格尺寸從對磨區(qū)域中心的54 μm×72 μm×83 μm逐漸向外圍擴大至約263 μm×458 μm×478 μm，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖7。通過這種網(wǎng)格劃分方法，可以得到模擬時長與模擬結(jié)果準(zhǔn)確度之間的較好的平衡。

將通過有限元模擬得到的鋼板在往復(fù)摩擦2 s時的接觸應(yīng)力曲線與通過理論計算得到的接觸應(yīng)力曲線進行比較（見圖10）可知，模擬值與理論值的偏差率在-20 ℃、0 ℃、20 ℃時分別為7%、6%和13%。

從不同摩擦循環(huán)次數(shù)后鋼板的磨痕截面輪廓線（見圖11）可以發(fā)現(xiàn)，去除球與鋼板最初接觸的塑性影響因素后，鋼板的磨損情況隨摩擦循環(huán)次數(shù)的增加逐漸加重，這與摩擦試驗的結(jié)果是一致的。當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時鋼板的磨損較輕（圖11a），而當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時鋼板的磨損最嚴(yán)重（圖11c），這是低溫環(huán)境下材料脆性提高造成的。由圖12可以發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為20 ℃、0 ℃、-20 ℃時，磨痕截面輪廓線的峰值的模擬值與試驗值誤差分別為18%、13%和3%，即隨著溫度的降低，模擬結(jié)果與實際磨損結(jié)果越來越接近。這是由于在摩擦力的作用下，球與鋼板接觸時會產(chǎn)生摩擦升溫、過渡層和磨屑，這都會對材料的摩擦行為產(chǎn)生影響，溫度越高，

其對磨痕截面變形的影響就越大。當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時，摩擦產(chǎn)生的熱向外輻射較快，因此在球與鋼板接觸區(qū)域受上述因素的影響減少，這時鋼板的塑性變形以其在赫茲接觸下的應(yīng)力變形為主，其結(jié)果更接近試驗值。

3 結(jié) 論

進行了船用鋼板（載荷為50 N）在不同環(huán)境溫度下與Al2O3球的摩擦磨損試驗，將通過試驗得到的摩擦因數(shù)和鋼板在不同溫度下的硬度、屈服強度等參數(shù)輸入ABAQUS進行數(shù)學(xué)建模和模擬計算，對比鋼板應(yīng)力和應(yīng)變的模擬結(jié)果和試驗結(jié)果得到：在相同載荷下，球與鋼板之間的磨損隨溫度的降低而加重;摩擦磨損過程中存在的溫升、過渡層、磨屑對摩擦磨損行為的進行有一定的影響作用;利用赫茲接觸理論建立有限元接觸模型，采用區(qū)域網(wǎng)格劃分方法;模擬結(jié)果與實際磨損結(jié)果有一定的誤差，溫度越低誤差越小。在后期的摩擦磨損試驗研究中，考慮將溫升、表面粗糙度、磨屑、過渡層等影響因素輸入有限元模型中，為材料的摩擦磨損性能研究提供更好的理論分析方法。

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（編輯 趙勉）