SiC/AZ91D镁基复合材料广泛应用于航空制造,汽车生产,电子封装等领域,活塞使用寿命与其材料的摩擦磨损性能关系密切,为预测镁基复合材料活塞耐磨性。建立SiC/AZ91D镁基复合材料及其基体有限元模型,探究其在不同载荷下的磨损行为,考察其应力场分布、磨损深度。
使用Abaqus有限元分析软件1.建模:在Abaqus中建立销盘摩擦副的几何模型。包括定义模型几何尺寸、几何形状、材料属性以及接触边界条件等。2.网格划分:对销-盘摩擦副进行网格划分,将其划分为有限数量的单元,以便进行数值计算。网格划分的质量对于模拟结果的准确性至关重要。3.材料定义:定义销盘摩擦副中所使用的材料的力学性质,包括材料的弹性模量、泊松比、屈服强度等。材料的属性将影响模拟结果。此类数据采用实验方法取得。4.接触定义:对销盘摩擦副中的接触面进行定义。由于摩擦、接触和磨损问题通常涉及非线性行为,因此本文使用Abaqus的非线性求解器进行求解5.加载和约束:定义销盘摩擦副的加载和约束条件。6.求解:使用Abaqus的求解器对销盘摩擦副进行求解。求解过程将根据所定义的几何、材料、接触和加载条件进行数值计算,并得出相应的力学响应结果。7.后处理:计算磨损深度使用UMESHMOTION子程序,通过该程序完成网格单元的磨损节点的位移问题。同时,通过ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)自适应网格技术实现模型网格的更新。在一个载荷增量步中,首先更新应力,然后再更新磨损量。
从有限元模拟得出的结果分析可得出不同载荷对复合材料与基体金属的应力场分布、磨损深度,可分为以下几点:①在相同载荷条件下,SiC/AZ91D复合材料和基体均表现出接触面距盘轴心最近与最远处应力值较大,而其他区域应力值较小的特性。这种现象主要由于接触面在边缘处突变,导致接触面两侧应力集中。对SiC/AZ91D复合材料而言,接触面应力值均大于AZ91D基体。由于高模量和高硬度SiC颗粒存在使得复合材料具有比基体更高的硬度和弹性模量 。因此在相同载荷作用下,复合材料比基体变形更小,应力值更大;②在实验所选载荷条件下,复合材料和基体的磨损深度与径向距离关系均表现出,随盘轴心径向距离增加,磨损深度增大。因为接触面距盘轴心最远处应力与相对运动速度的乘积大于最近处,通过UMESHMOTION子程序提取节点应力值,输入Archard磨损模型得出随盘轴心径向距离增加,磨损深度增大。但是复合材料的磨损深度均小于基体磨损深度,表现出更好的耐磨性能。
(1)盘销接触面应力值在径向区域分布不均匀,接触面均表现出距盘轴心最近与最远处应力值较大,其它径向区域较小。当载荷为10N时,复合材料距盘轴心最近与最远处应力值比基体金属分别高9.86%与10.1%;复合材料中心区域应力平均值比基体金属高39.5%。当载荷为6N时,复合材料距盘轴心最近与最远处应力值比基体金属分别高9.8%与3.7%;复合材料中心区域应力平均值比基体金属高23.1%;当载荷为3N时,复合材料距盘轴心最近与最远处应力值比基体金属分别高3.65%与1.18%;复合材料中心区域应力平均值比基体金属高16.7%。(2)在不同载荷下,盘销接触面均表现出距盘轴心最近处磨损深度较小,离盘轴心径向距离增加,磨损深度越来越大。基体合金的磨损深度明显大于复合材料。当载荷为10N时,复合材料距盘轴心最近与最远处磨损深度值比基体金属分别低51.7%与32.5%;复合材料中心区域磨损深度值比基体金属低41.5%。当载荷为6N时,复合材料距盘轴心最近与最远处磨损深度值比基体金属分别低65.2%与48.5%;复合材料中心区域磨损深度值比基体金属低54.7%;当载荷为3N时,复合材料距盘轴心最近与最远处磨损深度值比基体金属分别低62.9%与40.3%;复合材料中心区域磨损深度值比基体金属低59.1%。(3)磨粒磨损和剥层磨损为复合材料主要磨损机制,粘着磨损为基体合金的主要磨损机理。
镁合金材料因其耐磨性能不佳,在需频繁参与摩擦的工业产品零部件(如低负荷轴承齿轮、离合器活塞等)方面很少被采用。为了改善其耐磨性能,在镁合金中添加高硬质SiC颗粒,能有效提升SiC颗粒增强镁基复合材料的摩擦磨损性能。研究摩擦磨损特性的方法主要有实验和数值模拟。采用Archard模型研究摩擦磨损行为对金属基复合材料研究较少。
本文基于Archard磨损模型结合自适应网格技术,建立SiC/AZ91D镁基复合材料及其基体有限元模型,探究其在不同工况下的磨损行为,考察其应力场分布、磨损深度。从图中可以看出,在不同载荷下,盘销接触面应力值在径向区域分布不均匀,接触面均表现出距盘轴心最近与最远处应力值较大,其它径向区域较小。随着载荷增加,盘销接触面应力场差异明显。
在不同工况下,复合材料和基体的磨损深度与径向距离关系均表现出,随盘轴心径向距离增加,磨损深度增大。因为接触面距盘轴心最远处应力与相对运动速度的乘积大于最近处,通过UMESHMOTION子程序提取节点应力值,输入Archard磨损模型得出随盘轴心径向距离增加,磨损深度增大。但复合材料的磨损深度均小于基体磨损深度,表现出更好的耐磨性能。
图(1)、图(2)为不同载荷下SiC/AZ91D复合材料与基体的Von Mises应力分布 (a) 10N (b)6N (c)3N不同载荷下
SiC/AZ91D试样的磨损深度与径向距离关系图
颗粒增强镁基复合材料在活塞制造中具有重要意义,活塞使用寿命与其材料的摩擦磨损性能关系密切,为预测镁基复合材料活塞耐磨性。基于Archard磨损模型结合自适应网格技术,建立SiC/AZ91D镁基复合材料及其基体有限元模型,探究其在不同载荷下的磨损行为,考察其应力场分布、磨损深度,进行了试验验证,揭示磨损机制。结果表明:在不同载荷下,盘销的接触面均表现出距盘轴心最近与最远处应力值较大,其他径向区域较小。随着载荷增加,盘销接触区域各处均表现出应力值增大。在不同载荷下,盘销接触面均表现出距盘轴心最近处磨损深度较小,离盘轴心径向距离增加,磨损深度越来越大。随着载荷增加,盘销接触区域各处均表现出磨损深度数值增大。但复合材料的磨损深度小于基体,表现出较好的耐磨性能。磨粒磨损和剥层磨损为复合材料主要磨损机制,粘着磨损为基体合金的主要磨损机制,模拟结果与试验结果吻合较好。
颗粒增强镁基复合材料在活塞制造中具有重要意义,活塞使用寿命与其材料的摩擦磨损性能关系密切,为预测镁基复合材料活塞耐磨性。基于Archard磨损模型结合自适应网格技术,建立SiC/AZ91D镁基复合材料及其基体有限元模型,探究其在不同载荷下的磨损行为,考察其应力场分布、磨损深度,进行了试验验证,揭示磨损机制。结果表明:在不同载荷下,盘销的接触面均表现出距盘轴心最近与最远处应力值较大,其他径向区域较小。随着载荷增加,盘销接触区域各处均表现出应力值增大。在不同载荷下,盘销接触面均表现出距盘轴心最近处磨损深度较小,离盘轴心径向距离增加,磨损深度越来越大。随着载荷增加,盘销接触区域各处均表现出磨损深度数值增大。但复合材料的磨损深度小于基体,表现出较好的耐磨性能。磨粒磨损和剥层磨损为复合材料主要磨损机制,粘着磨损为基体合金的主要磨损机制,模拟结果与试验结果吻合较好。
SiC/AZ91D镁基复合材料广泛应用于航空制造,汽车生产,电子封装等领域,其在制造成型过程中不可避免会出现孔隙,孔隙的存在对复合材料力学性能产生不利影响,影响其损伤过程中的裂纹萌生和扩展。本文采用有限元分析方法建立含孔隙缺陷的真实SiC/AZ91D镁基复合材料的有限元模型,研究不同孔隙率及孔隙形状对SiC/AZ91D镁基复合材料裂纹萌生和扩展的影响。
首先在模型建立部分,根据SiC颗粒的SEM图像建立SiC颗粒的真实形貌模型,使用有限元分析软件Abaqus ,采用随机分布算法将颗粒与孔隙在基体模型中生成,得到不同孔隙含量以及不同孔隙形状的SiC/AZ91D镁基复合材料模型。其次在模拟加载部分,于颗粒与基体的界面处引入内聚力模型来模拟其在拉伸过程中裂纹萌生扩展的过程,内聚力单元的引入能够解决裂纹尖端存在奇异性的弊端;在模型上端施加拉伸位移载荷,下端为完全固定约束,侧向为自由边界条件。最后在实验验证部分采用带有预制裂纹的拉伸片试样,试样长度和宽度均远远大于其厚度,用来表征二维特征,实验加载过程中,试样的边界条件处于无约束状态,与模拟边界条件一致。
从有限元模拟得出的结果分析可得出孔隙缺陷对复合材料整体力学性能影响,可分为以下几点:①不同孔隙率SiC/AZ91D复合材料性能各不相同,孔隙率越大,其屈服应力值,抗拉强度及伸长率越小;②含不同孔隙形状的SiC/AZ91D复合材料性能各不相同,孔隙长径比r越大,其抗拉强度及伸长率越小。孔隙缺陷对SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展的影响可分为以下几点:①孔隙存在会改变其所在区域的应力场分布,孔隙周围垂直于施载方向和与施载呈45°夹角方向的应力随时间增长较快,均远大于平行于施载方向的应力值,微裂纹易在此两处产生;②随着材料孔隙率的增加,裂纹萌生和断裂的时间均逐渐提前,孔隙率越大,其促进裂纹萌生和扩展作用越明显;③随着孔隙长径比r增大,裂纹萌生和断裂的时间均逐渐提前,孔隙长径比越大,其对裂纹萌生扩展的促进作用越明显;④含孔隙的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制为微裂纹在孔隙周围萌生,与颗粒和基体交界处产生的微裂纹相互连接,汇集成主裂纹绕开颗粒扩展使材料断裂。从实验验证部分可得实验与模拟所得数据较为吻合,存在较小的偏差可能是由于模型中未考虑在复合材料微观组织存在缺陷造成的,根据实验与模拟结果所绘误差带图分析可知孔隙率1.5%的复合材料误差最大;孔隙率1.0%的复合材料误差次之;孔隙率0.5%的复合材料误差最小。
通过内聚力模型方法,可对含不同孔隙的SiC/AZ91D复合材料进行细致的有限元分析,能够从模拟中得出复合材料裂纹萌生扩展的具体过程。不同孔隙率及孔隙形状对复合材料的影响各不相同,在选用过程中应优先选用孔隙含量较低的复合材料以减少孔隙缺陷对其造成的不利影响。
颗粒增强金属基复合材料广泛应用于航空制造,汽车生产,电子封装等领域,复合材料成型过程中不可避免会出现孔隙,孔隙的存在对复合材料力学性能产生不利影响,同时影响其损伤过程中的裂纹萌生和扩展。研究孔隙对复合材料力学行为影响的方法主要有实验和数值模拟。实验能够提供准确的数据,但需要大量重复实验,且受到随机因素的影响,存在误差和离散性,而数值方法具有可重复性和计算效率高等优点。
本文通过排水法测得复合材料孔隙率数据,并将其引入复合材料模型中。在模型中,使用基于真实形貌的SiC颗粒,在颗粒与界面处引入内聚力单元来模拟裂纹的萌生和扩展过程,以避免裂纹尖端出现奇异性。同时,采用适用于大变形和大断裂的JH2本构作为增强体SiC颗粒的本构模型。从
采用内聚力模型及有限元分析方法,在含真实形貌SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料中引入孔隙缺陷,分析不同孔隙率及孔隙形状在单轴拉伸过程中对SiC/AZ91D复合材料力学行为的影响。结果表明:孔隙长径比为1时,孔隙率为0%、0.5%、1.0%、1.5%的复合材料的抗拉强度分别为351.214 MPa、339.452 MPa、325.735 MPa、306.791 MPa,抗拉强度随孔隙率的增加逐渐降低,复合材料中裂纹萌生和裂纹扩展时间均随孔隙率增加而提前。孔隙长径比越大,其尖端部位应力集中越严重,复合材料抗拉强度也越低。无孔隙缺陷的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制是颗粒与基体交界处萌生微裂纹,微裂纹相互连接形成主裂纹绕开颗粒进行扩展致使材料断裂,含孔隙的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制为微裂纹在孔隙周围萌生,与颗粒和基体交界处产生的微裂纹相互连接,汇集成主裂纹绕开颗粒扩展使材料断裂。