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第31卷第5期武汉工程大学学报Vol.31No.5

2009年05月J.WuhanInst.Tech.May2009

文章编号:167422869(2009)0520067205

基于ANSYS的滑动摩擦热结构耦合分析

王仕仙,徐建生,卢霞
(武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430074)

摘要:利用ANSYS有限元软件分析了在摩擦热和力场的耦合作用下,材料摩擦表面滑动接触区的局部温
度变化、应力变化等特性.结果表明:在摩擦滑移过程中,磨损表面相当于接受固定热源作用,接触区温度逐渐
上升,温度存在起伏波动现象,温度最高点在接触面中线区域,温度从接触面向四周呈递减趋势,而且温度梯
度越来越小;同时,接触应力、摩擦应力也发生变化.滑动过程的热效应问题研究将有助于揭示接触过程中材
料表面磨损机理.
关键词:滑动摩擦;ANSYS;热结构耦合
中图分类号:TH117.1文献标识码:A

0引言1热分析的基本假设及传热方程

在载荷作用下,摩擦副表面间因有相对滑动建立如图1所示环2环滑动摩擦接触模型,图
而产生摩擦,摩擦生热致使局部产生很高的温升,中上试样几何参数为:内径为20mm,外径为
有可能形成瞬时过热,一个瞬时高温的热点会导26mm,厚度为5mm,材料为45#钢;下式样几何
致表面上相应结点材料状态的改变,造成摩擦表参数为:内径为16mm,外径为28mm,厚度为
面的焊联作用.随后在分离的瞬时,连结点被撕6mm,材料为黄铜.上试样受向下载荷F,旋转速
裂.这样,摩擦副表面将产生局部的初期粘着损度为n(r/min).摩擦类型:干摩擦.
伤,随着多次损伤的积累,将引发明显的粘着磨
损.研究认为,在研究磨损机理中,温度是起重要
作用的因素[1].
各国的摩擦学工作者十分重视接触表面温度
的测试技术,对此进行了大量的工作.但它是一个
十分困难的问题,其原因在于:接触表面的最高温
度在接触处瞬时形成的闪现温升,接触位置又时
刻发生变化,因此,要精确地测出闪温十分困难,
目前大量应用的测温方法只能测量表面层的平均图1环2环摩擦模型示意图
[2]Fig.1Ring2ringfrictionmodel
温度.许多学者对接触表面的瞬时温升也提出
[3]试验过程中,接触面由摩擦产生热,这些热以
了简单的数学计算公式,但仍难以准确反映出
热流的形式分别进入上试样和下试样.为了使问
变化过程和变化状态.本文利用ANSYS有限元软
题易于处理,但不失去其意义,作出以下假设(这
件分析摩擦副在滑动摩擦过程中,受摩擦热和力
里只对下试样进行热分析):
场的耦合作用下,接触区域表现出的局部温度变
(1)忽略泄漏所带走的摩擦热.
化、应力变化等特性,力图揭示接触过程中材料表
(2)忽略因热辐射导致的热损失.
面磨损机制.
(3)认为各层材料的参数都是各向同性的.
(4)与整体摩擦热相比,磨屑带走的热量很

收稿日期:2008210222
基金项目:国家自然科学基金50175083
作者简介:王仕仙(19812),男,湖北安陆人,助理工程师,硕士研究生.研究方向:摩擦学数值模拟、纳米润滑.
指导老师:徐建生,教授,博士.博士研究生指导老师.研究方向:摩擦学、纳米润滑.
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小,可忽略不计.面,采用接触单元CONTACT172,上试样下表面
(5)对流换热产生于试样的四周,换热系数与为目标面,采用接触单元CONTACT169.在接触协
温度及试样的空间位置无关.调中定义的罚函数应于穿透量相适应,以解决收
根据以上假设,密封环的传热问题简化为二敛时间和精度的矛盾.接触协调条件采用了在接
维问题,根据能量守恒原理,瞬态传热可以用公式触平衡迭代中增加接触刚度的罚函数法和增加附
表达为加自由度的拉格朗日乘子法相结合的增强拉格朗
ζ
[C]{T}+[K]{T}={Q}(1)日法.为使模型的计算收敛于精确解,对靠近接触
式(1)中:[K]为传导矩阵,包含导热系数、对流系面的特定区域细化网格,控制网格密度,划分后的
数以及辐射率和形状系数;模型如图2所示.
[C]为比热容矩阵;
ζ
{T}为温度对时间的倒数;
{Q}为节点热流率向量,包含热生成;
{T}为节点温度向量.
在具体的传热过程中,材料的性能、边界条
件等会随温度发生变化,此类问题为非线性热分
析问题.
2有限元建模分析
图2环2环有限元模型
2.1有限元模型及网格划分Fig.2Ring2ringfiniteelementmodel

由于环环模型以及边界条件都是轴对称若
2,2.2材料属性及边界条件
按真实三维分析则过于复杂[4]建模时采用平面
,,2.2.1材料属性上试样采用45#钢材料,下试
问题求解取上下试样的剖面按实际尺寸建
,1/2,样采用黄铜,它们之间的摩擦系数为0.