碳化钨涂层钛合金基的接触应力有限元分析.pdf

碳化钨涂层/钛合金基的接触应力有限元分析 冯成慧 王斌团 （中航工业一飞院） 摘 要：针对碳化钨涂层/钛合金基与钢的线接触问题，建立了静、动态有限元模型，采用 ABAQUS 软件进行了 Hertz 弹性接触 状态下的应力分析。计算了不同接触载荷、摩擦系数情况下的应力分布情况。 关键词：ABAQUS；碳化钨涂层/钛合金基；Hertz 接触；接触应力 0 引 言 碳化钨涂层由于具有良好的抗磨损性能、耐腐蚀性能、耐高温性能、环保性及其与基体优异的结合强度、高 效的工艺制备性等，已经被广泛地应用于轴承等滚/滑动体的运动机构中。一般来讲，接触应力和变形是滚动体分 析的重要基础，滚动体接触疲劳设计的重要环节[1]，以及接触疲劳寿命预测模型中重要的控制参数。如果涂层参 数选择不当，会出现涂层与基体的分层等失效模式，使涂层很快失效 [1] 。 由于经典的 Hertz 弹性接触理论不能直接应用于带涂层的接触应力计算中，因此有的研究人员采用有限元软 件对涂层进行接触应力计算 [2] 。本文借助 ABAQUS 软件，得到了不同接触载荷、摩擦系数等参数分别在静、动两种 有限元模型的不同应力分布规律，以便指导该类涂层的设计与分析。 1 Hertz 弹性接触理论 1881 年，Hertz 求得接触应力及变形的解析解[3]。其基于以下假设 （1）接触物体只产生弹性变形，并服从胡克定律； （2）负荷垂直于接触表面，也就是说，接触表面完全光滑，不计及接触物体之间的摩擦力； （3）接触面的尺寸与接触物体表面的曲率半径相比是很小的。 根据 Hertz 弹性接触理论两接触体接触时，最大接触应力为： 3 Q p0 （1） 2 ab 其中 p 为最大接触应力， 为接触总载荷， 、 分别为接触面的短、长半轴。 0 Q a b 2 有限元建模 网格划分：根据弹性力学的平面应变理论，平板与圆柱的接触问题实质上是一个圆面与一个四边形面的平面 应变接触问题，如图 1。圆面网格划分原则：接触部分网格细，非接触区网格粗，网格粗细区过渡要好。四边形 面的网格划分原则：镀层网格细，基体网格粗，接触区网格细，非接触区网格粗，由接触区到非接触区，网格由 细到粗均匀过渡，镀层厚度网格划分做成参数化设计，以便于变参，镀层和基体的材料属性分别赋予，镀层和基 体采用结点固连。 静、动态两种模型：分别建立静态，动态两种接触有限元模型。静态模型的特点为滚动体（圆面）没有滚动， 只施加接触载荷，动态模型的特点为滚动体（圆面）有滚动，在接触载荷作用下的滚动。两种模型都可以输入摩 擦系数。 载荷的施加：载荷以集中力的形式施加在圆面的中心结点上。 1 图 1 接触应力计算有限元模型 3 结果及分析 计算结果：如图 2 为某接触载荷作用下接触应力的计算结果，从图可以看出最大接触应力发生在接触表面， 离接触中心越远，接触应力越小。 本文分别得出了不同设计参数：摩擦系数、接触载荷对输出参数：最大接触应力、最大静态剪切应力、最大 动态剪切应力、最大静态剪切应力深度、最大动态剪切应力深度的影响。 摩擦系数对接触应力的影响： 将摩擦系数从 0.01，以 0.01 的级差变化到 0.1、再以 0.1 的级差变化到 0.6。得到如图 3 的曲线。从图中可 以得出：1）最大静态接触应力随摩擦系数的变化有减小趋势，但是不明显；2）最大动态接触应力在摩擦系数为 0.03 附近有个跳变，在 0.03 至 0.6 逐渐增大，在 0.03 至 0.1 时增加缓慢。在 0.1 以后增加速度加剧；3）在 0.1 以下静、动态接触应力基本相等，在 0.1 以上动态接触应力大于静态接触应力，但是大的幅度不大。