PP塑料/GCr15钢转动微动实验及数值模拟研究

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转动微动是在交变载荷作用下接触表面间发生微幅转动的相对运动,它常存在于球窝接头配合面、机车车辆的轮轴与轭轴机构的紧配合面、人体植入器械中的髋关节与膝关节杵臼状配合面中,故上述机械配合件常因微动而失效。球/平面接触条件下的转动微动实验是由莫继良等于2008年首次实现,并且在此基础上学者们对不同材料的转动微动磨损特性展开研究。目前对转动微动的研究主要依赖实验这一条途径,因此通过有限元软件对转动微动实验条件下的结果进行验证及预测将会更深层次地揭示转动微动条件下的运行和损伤机理,并且可以节省大量人力物力。(1)利用CETRUMT多功能摩擦磨损机(UMT-2, UMT-3)和CETR TH-50高精度六维力学传感器,完成了PP塑料与GCr15的球/平面接触条件下不同转动幅值的转动微动实验。通过对PP塑料与GCrl5转动微动的动力学行为的分析表明:转动幅值对转动微动行为有重要的影响,摩擦力-转动幅值(Ft-θ)曲线和摩擦系数曲线表征转动微动行为由部分滑移状态向完全滑移状态转变;通过对PP塑料与GCrl5转动微动的试样磨斑形貌进行分析得到:不同位移幅值下的磨痕形貌图和轮廓曲线随着转动幅值的增加也在不断的变化,并且出现了接触中心磨损区域有隆起和中心区域两侧的下凹的现象。(2)利用MSC.MARC软件特有的Achard磨损分析模型,得到GCr15球/PP塑料平板的数值分析简化模型在一个加载特征循环下平板模型接触表面的磨损结果。通过对平板模型表面的磨损位移、塑性应变和磨损量曲线进行定量分析得到:平板试样接触表面的磨损发生在接触表面中心区域(磨损半径约为0.8mm),并随着转动幅值增加磨损程度加剧;当转动幅值较大时,材料塑性流动可能是在中心区域产生隆起的主要原因。对平板模型表面的塑性变形应变、等效应力和磨损云图进行定性分析结果表明:材料塑性流动存在与转动微动过程中,且转动幅值对表面接触应力值、表面等效应力和塑性流动程度有很大影响。(3)通过有限元模拟分析转动微动结果和相应的实验结果对比分析表明:表面塑性应变云图分布情况与实际磨痕形貌图中的条纹状磨痕相符;磨损速率云图分布反映了磨损形貌图接触中心两侧的磨痕的扩展趋势;平板模型表面的塑性变形与试样表面轮廓形貌一致,且推测导致PP塑料试样表面的“隆起”的因素,除了磨屑堆积因素外,也是材料塑性流动的结果。采用MSC.MARC的接触功能进行转动微动磨损计算,得到的接触表面塑性应变等结果,均能得到实验结果的相关佐证,故作为辅助分析的有限元分析手段具有较好的应用性。
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