仿生多孔UHMWPE摩擦过程的流固耦合非线性分析

陈双坤 吴 刚 黄灿超

（三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）

摩擦作为机械及零部件失效的重要因素之一，造成机械性能和零部件使用寿命的降低，设备的维修及报废等许多问题，为经济带来巨大的损失，引起社会的普遍重视［1］.仿生学发现，许多生物体表面具有经过亿万年的进化优化而形成高效减阻耐磨作用的非光滑特征［2］.科研人员将这种非光滑特征，运用到摩擦副表面，试图提高零部件工作表面耐磨性能的研究，已取得许多重要的科研成果［3－6］.

本文通过仿生改型技术改变UHMWPE试件表面的形态，以平板试件为参照，设计仿生多孔型非光滑结构试件，并利用大型有限元软件ANSYS模拟UHMWPE与硬铝合金在以牛血清作润滑液条件下的接触摩擦应力情况，忽略摩擦热，分析摩擦副在转动摩擦过程中的等效应力、接触应力，考察仿生多孔结构与接触表面状态之间可能存在的联系，为UH－MWPE的抗磨设计提供参考.

1.1 试验方案

标准试件和仿生多孔试件的材料均为UHMWPE，其材料属性为：弹性模量Ex＝3.0×109Pa，泊松比γ＝0.25，材料密度ρ＝937kg／m3；固定的摩擦盘的材料为硬铝合金LY12，其材料属性为：弹性模量Ex＝74.2×109Pa，泊松比γ＝0.33，材料密度ρ＝2 780kg／m3，试件与摩擦盘偏心距为20mm；摩擦系数MU＝0.2，流体物质为牛血清和空气，牛血清的粘度为0.0182MPa·s，密度为1 020kg／m3，空气粘度为1.789MPa·s，密度为1.225kg／m3.

建立的结构模型试件的尺寸如下：标准试件（转动副）：直径×高＝30mm×10mm；仿生多孔试件（转动副）：直径×高＝30mm×10mm，多孔直径为3 mm，孔间距为6.5mm，数量9个，全部为通孔；摩擦盘（固定）：直径×高＝80mm×5mm.

建立的流体模型尺寸如下：9小圆柱尺寸为：直径×高＝3mm×10mm；润滑膜体尺寸为：直径×高＝30mm×0.008mm.

1.2 摩擦副的接触形式

摩擦副的接触形式以及摩擦界面，如图1所示.

图1 摩擦副的接触形式以及摩擦界面示意图

本试验在ANSYS Workbench中进行，首先在Fluent中进行润滑膜流体分析，然后在 Workbench进行接触非线性分析，采用间接耦合的方式.

2 流固耦合非线性分析

1）有限元网格划分

在流场划分网格时，需要用到布尔差集，合并交接面等操作，为了得到质量较优的网格，对润滑膜体与上面的9个圆柱体均采用相同的网格大小0.5，采用Copper的方法对各个体进行网格划分，划分网格时应先对9个圆柱划分，接着再对润滑膜体划分，流体网格模型如图2所示.

图2 标准试件与仿生试件流体网格模型

在ANSYS Workbench里划分结构网格时，系统会自动设置单元类型为Solid186，接触摩擦采用库伦摩擦，由于摩擦具有非线性、大变形等特点，且本次试验着重考察试件的应力状况，因而重点分析试件的应力状况.结构模型网格如图3所示.

图3 标准试件与仿生试件结构网格模型

2）边界条件

对标准试件与仿生多孔试件定义流速入口和压力出口.标准试件流场模型的流速入口为X轴（正向）的润滑膜侧面，压力出口为X轴（负向）的润滑膜侧面，其余为壁面；仿生多孔试件流场模型的流速入口为9个直径是3mm顶部的圆柱面，压力出口为整个润滑膜的侧面，其余为壁面.

第一个载荷步（约束条件），在摩擦盘的底面施加固定约束，为了使圆形滑道固定不动，将滑道底面x、y和z坐标系方向的位移都设置为零.在试件上表面压力载荷80N，对小试件施加体的角速度80r／min.对小试件的下表面施加来自Fluent计算出的润滑膜压力场，对摩擦盘的上表面相应的接触部位施加润滑膜压力场.

2.1 润滑膜流场分析后处理

图4为标准试件与仿生试件分别在Fluent中进行流体分析得出的润滑膜压力云图.由图2可知，标准试件在润滑时，出口处（X轴负向半圆弧）润滑膜压力处于0.021 6～0.1MPa，可见出口有大量牛血清；而仿生试件在润滑时，整个圆弧边都出现牛血清，润滑膜压力处于0.026～0.095MPa，整个圆周都存在润滑膜承载力，可以有效但X轴正向的润滑膜压力明显大于X轴负向的润滑膜压力，表明在一定偏心距的条件下，X轴正向出液量明显大于X轴负向出液量，出液口基本在旋转中心外侧.

图4 标准试件与仿生试件的润滑膜压力云图

图5为标准试件与仿生试件分别在Fluent中进行流体分析得出的空气体积分数.从图5可以得出，标准试件与仿生试件的空气分布情况明显不同，原因是标准试件与仿生试件流量速度入口与出口不同.标准试件的流量出口处为右半圆弧，呈月型分布，占总面积的25%左右，说明出口处基本为牛血清；仿生试件流量出口为整个圆弧，且左半圆弧流量大于右半圆弧流量，占总面积的35%左右，中间65%的面积为空气，接触状态良好，说明出口处基本为牛血清，符合实际情况.

图5 标准试件与仿生试件的空气体积分数图

2.2 结构分析后处理

在ANSYS Workbench里计算出结果，由于在Workbench的后处理功能没有经典ANSYS强大，且不方便单独查看试件的应力应变情况，而ANSYS具有十分强大的后处理功能，能够以众多的手段来展示模拟的结果，因而将计算的结果导入到经典的ANSYS里进行后处理，结合模型试验方案对多孔仿生结构和标准试件的转动润滑摩擦过程进行有限元分析.

1）转动摩擦过程中的等效应力

图6是标准试件与仿生试件动态转动磨损过程中的等效应力状态.从图6可以看出，标准的等效应力呈现很有规律的变化，呈现从上部递增，且小试件体的等效应力大部分处于0.092～0.105MPa，且接触面边缘处等效应力最大，最大值为0.181MPa.仿生多孔试件的等效应力大部分处于0.101～0.115 MPa，接触面边缘处等效应力最大值为0.196MPa，总体分布情况与标准试件的分布基本一致，也是呈现从上到下逐渐递增，但孔洞附近的应力要明显大于周围的应力，且应力分布匀称.

图6 标准试件与仿生试件等效应力云图

2）转动摩擦过程中的接触摩擦力

图7为标准试件与仿生试件转动过程中的接触摩擦应力云图.由图7可以看出节点接触摩擦应力的分布符合理论，呈现很有规律的椭圆型分布，且从里向外摩擦应力逐渐增大，最大摩擦应力为0.042 MPa.仿生试件的接触摩擦应力与标准试件的摩擦应力分布情况明显不同，整体上仿生试件应力也是服从由内向外逐渐增大的椭圆型分布，最大接触摩擦应力为0.044 6MPa，但内部应力波动面积要明显小于标准试件.

图7 标准试件与仿生试件接触摩擦应力云图

3）转动摩擦过程中的节点接触压力

图8是标准试件与仿生试件转动过程中的接触压力云图.从图8可以看出，在润滑的条件下，标准试件的流量流出口为右半圆弧，油膜压力也主要分布在右半圆弧，油膜对试件底面施加相同的反作用力，减小了一部分试件底面所受的力，因此在流出口应力较为平缓，应力大部分处于0.172～0.193MPa，流入口则出现较为明显的应力集中现象.而仿生试件流出口为整个圆弧，右半圆弧的流量明显小于左半圆弧的流量，右半圆弧的油膜压力明显小于左半圆弧的油膜压力，故而右半圆弧油膜对试件底面施加的反作用力要小于左半圆弧，因此，右半圆弧出现较为明显的应力集中现象，但应力集中面积相对标准试件少50%左右，且应力大部分处于0.192～0.203MPa.

图8 标准试件与仿生试件接触压力云图

3 结 论

1）标准试件的流量出口处为右半圆弧，呈月型分布，占总面积的25%左右；仿生试件流量出口为整个圆弧，且左半圆弧流量大于右半圆弧流量，占总面积的35%左右，中间65%的面积为空气，接触状态比标准试件较好.

2）标准试件的应力分布状态呈现很有规律的圆形环带状分布，且从里向外应力逐渐增大，而仿生试件应力分布极具有连续性，且孔洞附近的应力要明显大于周围的应力，但应力分布匀称.

3）同等压力载荷等转速条件下，整体上仿生多孔试件的应力大于标准试件，但多孔的存在，接触状态改善，加快了对外力的响应速度，应力分布较为均匀.

［1］ 温诗铸.摩擦学原理［M］.3版.北京：清华大学出版社，2008：340.

［2］ 周平安.磨损失效分析及耐磨材料的现状和展望［J］.铸造，2000，49（1）：23－25.

［3］ 吴 刚.仿生多孔超高分子量聚乙烯的摩擦磨损性能研究［J］.摩擦学学报，2007，27（6）：539－544.

［4］ 郝建峰.仿生通孔结构铝合金试件耐磨性研究及有限元模拟［D］.长春：吉林大学，2010.

［5］ 丛 茜，张宏涛，金敬福，等.仿生非光滑通孔耐磨机制有限元分析［J］.润滑与密封，2007，32（1）：31－34.

［6］ 丛 茜，金敬福，张宏涛，等.仿生非光滑表面在混合润滑状态下的摩擦性能［J］.吉林大学学报：工学版，2006，36（3）：363－366.