類金剛石膜-磨�；瑒咏佑|過程的有限元分析

2014-02-22 曾群鋒現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室

　　采用ANSYS有限元軟件模擬了磨粒磨損中類金剛石(DLC)膜與磨粒在旋轉(zhuǎn)滑動中的接觸過程，分析了DLC膜表層在整個接觸過程中的應(yīng)力應(yīng)變和接觸壓力的變化規(guī)律，研究了滑動接觸次數(shù)對DLC膜殘余應(yīng)變的影響。結(jié)果表明:DLC膜在滑動接觸后其表層存在著明顯的殘余應(yīng)力;DLC膜的變形主要為塑性變形，且隨著滑動接觸次數(shù)的增加逐漸增大;DLC膜的非線性和摩擦接觸的非線性共同影響著滑動接觸過程中薄膜中應(yīng)力應(yīng)變的變化。DLC膜與磨�；瑒咏佑|過程的研究將有助于研究DLC膜的表面磨損機制。

　　類金剛石(DLC)膜是具有高硬度、高彈性模量、低摩擦系數(shù)、電絕緣性和良好的生物相容性等優(yōu)良性能的非晶碳膜，在機械、電子和生物等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而DLC膜在實際工程應(yīng)用中不可避免的存在著磨損的問題。當鍍有DLC膜的機械關(guān)鍵零部件在不潔凈的環(huán)境條件下工作時，摩擦副之間可能會存在外來污染雜質(zhì)以及各種尺寸的磨損顆粒(磨粒)。當摩擦副發(fā)生相對滑動時，磨粒由于受到擠壓作用也產(chǎn)生相應(yīng)的滑動，使DLC膜受到法向和切向聯(lián)合載荷的作用，此時接觸區(qū)域會表現(xiàn)出不同的應(yīng)力應(yīng)變特性，影響薄膜的表面磨損和使用壽命。因此，研究DLC膜與磨�；瑒咏佑|過程中相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變的變化，為DLC膜的表面磨損機理以及使用壽命研究提供依據(jù)，就顯得十分重要。

　　本文采用ANSYS有限元軟件分析磨粒與DLC膜表面滑動接觸的整個過程，研究DLC膜表面接觸區(qū)域的相關(guān)應(yīng)力和應(yīng)變的變化特點，力圖為DLC膜的表面磨損機理研究以及抗磨設(shè)計提供相關(guān)理論依據(jù)。

1、模型建立及參數(shù)設(shè)置

　　1.1、有限元模型的建立

　　滑動接觸過程中的應(yīng)力應(yīng)變只是集中在接觸區(qū)附近的局部區(qū)域內(nèi)，遠處區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變則趨近于零，在建模時可以選取遠比實際區(qū)域小的局部區(qū)域。在基體上制備的DLC膜厚度為2μm，因此可以取基體高度10μm，寬度20μm。由于主要研究薄膜的應(yīng)力應(yīng)變變化，在此假設(shè)磨粒為剛性，形狀為圓形，直徑取10μm。假設(shè)DLC膜與基底結(jié)合良好，有限元建模時基體和薄膜幾何模型采用GLUE操作。據(jù)此建立的幾何模型如圖1所示。網(wǎng)格劃分采用四節(jié)點平面單元PLANE182，劃分方法采用映射網(wǎng)格劃分方法，劃分結(jié)果如圖2所示。有限元模型總共3136個節(jié)點，3074個單元。約束模型底邊的所有節(jié)點沿X方向和Y方向的自由度為0。

幾何模型

圖1 幾何模型

有限元模型

圖2 有限元模型

　　1.2、材料參數(shù)和接觸參數(shù)

　　基體材料為高速鋼。定義基體和薄膜為彈塑性體，材料模型采用雙線性等向強化(BISO)模型�；w和薄膜的材料性能參數(shù)如表1所示。設(shè)定磨粒下表面為目標面，薄膜上表面為接觸面。目標面和接觸面分別采用TARGE169和CONTA171單元。采用Pilot節(jié)點控制目標面的運動。在接觸參數(shù)的設(shè)定中，表面滑動摩擦系數(shù)為0.1，接觸算法采用增強拉格朗日乘子法。選擇表面作用模式為法向單向接觸。

表1 材料性能參數(shù)

材料性能參數(shù)

　　1.3、求解設(shè)置和加載過程

　　由于滑動接觸問題為非線性問題，因此需要設(shè)置必要的非線性選項以保證計算結(jié)果收斂。打開自動時間步(AUTOTS，ON)和大變形選項(NLGEOM，ON)，激活預(yù)測-修正選項(PRED，ON)以及線性搜索選項(LNSRCH，ON)，采用基于平衡迭代修改剛度矩陣的完全的牛頓-拉普森方法(NROPT，F(xiàn)ULL)，同時關(guān)閉自適應(yīng)下降選項。

　　采用位移載荷加載，共分為六個階段:首先是法向加載階段，在磨粒法向上施加0.2μm的位移載荷;第二階段和第四階段是磨粒正向(X軸正方向)滑動階段，磨粒沿正向滑動10μm;第三階段和第五階段是磨粒逆向(X軸負方向)滑動階段，磨粒沿逆向滑動10μm;第六階段是法向卸載階段，卸載到磨粒與薄膜表面完全脫離接觸。分別設(shè)置六個時間步對應(yīng)六個加載過程。