接触磨损广泛存在于工程应用中,且易导致设备零件失效而造成巨大的经济损失。由于材料的磨损过程非常复杂,难以进行实时检测。数值模拟可量化分析不同磨损程度下材料的磨损量与应力分布情况、研究物体磨损失效机理、预测使用寿命、优化设计磨损过程、节省产品设计的周期与实验经费并指导工程应用,有着重要的意义。本论文在团队的双势接触算法的基础上,分别推导了线弹性磨损、弹塑性磨损、接触压力相关摩擦系数的接触磨损以及包含磨屑层的磨损四种磨损算法并程序实现。主要的研究工作以及获得的主要结论如下:(1)将双势接触算法扩展到线弹性磨损算法并程序实现。将物体接触表面的磨损量考虑为内部的状态变量,磨损的累积都通过这个变量来存储。将磨损量考虑到物体初始间隙中,得到磨损问题的法向接触准则。结合法向接触准则与库伦摩擦定律,得到磨损问题的完全接触条件。通过增广拉格朗日方法计算预测接触力,再根据双势投射方法进行修正。接触迭代收敛后提取每个接触点的接触压力与相对位移,再通过Archard磨损模型计算相应的磨损量。并将磨损量更新到磨损内变量中,作为下一步计算法向接触间隙的初始条件。通过与Hertz理论解以及商业有限元软件ANSYS对比,验证了双势接触算法的精确性。与Stromberg磨损算例的对比,验证了磨损算法的准确性。选取的两个点的磨损演化情况,很好地吻合了完全接触定律与Archard磨损定律,进一步验证了所提出算法的有效性与精确性。(2)推导弹塑性磨损算法并程序实现。结合团队的弹塑性本构算法,推导了弹塑性磨损算法。弹塑性问题的平衡方程通过Newton迭代进行计算。在每次Newton迭代中,都需要进行接触的计算,并且在每次Newton迭代中假定磨损量保持不变。弹塑性迭代收敛后,再进行磨损的计算与更新。通过算例分别研究了增量步以及塑性对磨损过程的影响。选择合适的增量步可以同时满足计算精度以及保证较快的计算速度。完全滑移状态下,塑性变形会缓解物体间的法向接触压力,即降低最大接触压力而增大接触面积,对磨损形貌的影响也是如此,磨损宽度增大而最大磨损深度降低;而当磨损深度较大时,塑性变形的影响就逐渐降低了。部分滑移状态下,线弹性材料的粘着与滑移的混合区域处存在压力峰值,而弹塑性材料因塑性变形缓和了此处的压力分布,不存在明显的压力峰值。(3)推导接触压力相关摩擦系数接触磨损问题的数值算法并程序实现。通常工程中的材料的摩擦系数并非定值,将材料的摩擦系数考虑为法向接触压力的函数,这样摩擦系数便与法向接触压力以及磨损产生了耦合。将Uzawa算法与Newton算法扩展到接触压力相关摩擦系数问题的求解。由于采用了变摩擦系数,使得Newton算法中的分段连续的切向刚度矩阵中多了摩擦系数对法向接触力的偏导数。通过算例对比了两种算法,发现Newton算法所需的外部高斯赛德尔迭代次数要少于Uzawa算法,但是Newton算法需要每个接触点的局部迭代。研究了不同变摩擦系数模型对接触以及磨损过程的影响。三维弹性块算例的不同摩擦模型模拟,发现摩擦系数会影响接触压力分布与接触状态,从而影响物体的磨损形貌。二维圆柱-平板算例中,在所设定参数的不同摩擦模型下,甚至得到了完全滑移与部分滑移两种磨损状态。(4)推导包含磨屑层的磨损算法并程序实现。若物体磨损过程中产生的磨屑不能够及时排出物体之间,则会残留在物体的接触表面形成磨屑层。物体间存在磨屑层时,接触状态将发生改变,法向接触间隙也会降低。将物体间的磨屑层通过另一个内变量来存储,数值计算时,将磨屑层固结到一个接触物体的表面。通过磨屑层转化系数来控制新形成的磨屑层厚度。每次接触收敛后计算磨损量以及相应的磨屑层并更新。根据磨屑层演化情况,建立了两种磨屑层模型。研究了磨屑层厚度与磨屑层转化率对接触压力分布与磨损过程的影响。物体间考虑磨屑层时,最大的法向接触压力与最大磨损深度都会增大,而接触压力分布的宽度与磨损形貌的宽度都会减小。采用线性比例磨屑层模型时,转化率越高,物体间的接触压力分布与磨损形貌就越尖锐。采用变系数磨屑层模型时,恒定基础转化率条件下,所容许最大磨屑层厚度越大,物体的磨损形貌越尖锐;恒定容许最大磨屑层厚度条件下,磨屑层基础转化率越高,磨损形貌越尖锐;同样变系数磨屑层模型的相同条件下,线弹性材料相对于弹塑性材料来说,磨损形貌都要更加尖锐。