軸承、齒輪、軌道和凸輪的損壞是由一種叫做接觸疲勞的損傷機制引起的。當接觸的兩個零件承受瞬態接觸壓力時，在裝配中就會發生這種情況。當傳遞的載荷過高時，經過無數次的載荷循環，表面材料的一塊會剝落并留下一個小凹坑。這種現象被稱為剝落或點蝕。利用 COMSOL Multiphysics? 軟件，我們可以建立接觸疲勞模型并預測這些組件的失效。
接觸疲勞的損傷機制
當兩個零件之間不斷變化的接觸壓力在表面和次表面層上引入一個隨時間變化的應力狀態時，就會發生接觸疲勞。當應力過高時，就會在組件的表面和次表面形成微裂縫。表面下的微裂縫經常是始于某種缺陷，如材料的雜質。這種微裂紋隨著加載會平行于表面增長。在一定程度上，它會向表面彎曲，去除一塊材料而留下一個淺孔。
一個滾動體沿彎曲滾道運動時的應力軌跡。頂面的紅色顯示了高水平的接觸壓力，藍色顯示了無應力區域。次表面分別以紅色和藍色顯示高和低的等效應力。
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在長期接觸疲勞中，接觸的兩個物體在表面的法線方向上經歷了相對運動。這種運動可以非常小，小到人眼看不到，也可以大到使表面分離。這兩個物體被反復擠壓然后被釋放。在滾動接觸疲勞中，接觸疲勞是由物體在表面上的滾動引起的。
文中我們不會討論建立微動疲勞模型的具體細節，但這種類型的疲勞發生在接觸的兩個物體沿表面有一個小的相對運動（如振動）時。在宏觀層面上，這兩個物體似乎是相向運動的，但在微觀層面上，這兩個表面會出現相對運動，從而導致疲勞失效。
在 COMSOL Multiphysics? 中對接觸疲勞進行建模
我們可以用兩種方法在 COMSOL Multiphysics 中建立接觸疲勞模型。一種方法是在兩個物體的界面上創建一個接觸對。必須對兩個物體都進行建模，并且必須沿著兩個接觸界面應用精細的網格。這種類型的接觸模擬往往計算量很大。
模擬接觸疲勞的另一種方法是使用與赫茲有關的經典解，用于兩個具有彎曲表面的彈性體之間的接觸，這在接觸力學的研究中有所描述。接觸中的一個物體被接觸壓力的分析解所取代，該壓力在另一個物體的表面上被指定。我們可以通過以下方式來實現。
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在參數節點中指定接觸特性，如最大壓力和接觸軸，作為參數。
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在變量節點中，將表面上某一特定位置的接觸壓力表示為變量
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這樣做以后，我們就不需要對其中一個物體進行建模，這就減小了模型的大小。由于對所產生的應力狀態的準確解析需要一個精細的網格，任何減小模型大小的技術在接觸疲勞建模中都很重要。
為接觸物體的接觸壓力指定一個分析解的設置。
第二種技術是 COMSOL 疲勞模塊的案例庫中的兩個教程模型中所采用的：長期接觸疲勞和線性導軌中的滾動接觸疲勞。在第一個例子中，一個球形壓頭在被測材料上被反復壓緊和釋放。在第二個例子中，一個球形滾動元件沿著一個滾道槽移動。
兩個模型中的特征幾何長度都是幾毫米，這相當于球形物體的接觸半徑。接觸區的特征長度約為該測量值的十分之一。在長期接觸疲勞的例子中，壓頭的半徑為 7 mm ，接觸半徑為 260 μm。對于滾動接觸疲勞示例，滾動元件的半徑是 2 mm，兩個接觸橢圓軸分別是 161 μm 和 36 μm 。
接觸面和模型其他部分的網格大小有很大差別。
接觸面不是唯一需要細網格的地方。盡管最高的接觸應力是通過這個小的接觸區域傳遞的，但最高的等效應力和剪切應力(都用于疲勞分析)是在靠近表面的次表層上發現的。在長期接觸疲勞模型中，最高的等效應力和剪切應力位于表面以下約 110 μm 處。在滾動接觸疲勞的例子中，這兩種應力分量的最大值位于表面以下約 20 μm 處。這大約是幾何物體特征長度的 1%，需要通過深度的精細網格。
在長期接觸疲勞中，載荷的傳遞集中在一個位置，而在滾動接觸疲勞中，接觸區域是流動的。因此，在對滾動接觸疲勞建模時，我們必須沿運動物體的整個路徑使用具有精細網格的材料體。在一些模型中，建模體積的大小可以減少，因為接觸應力只對距接觸點幾個接觸長度內的材料體有顯著影響。在疲勞模擬中，距離較遠的應力狀態是微不足道的。
通過在評估點之前的幾個接觸長度上指定接觸壓力，然后將它移到該點之后的幾個接觸長度上，就可以獲得良好的中心結果。當建立滾動接觸疲勞模型時，將接觸載荷應用于評估點之前的大約三個接觸長度，然后把它轉換到評估點之后的大約三個接觸長度。一旦得到了中心的結果，就可以在隨后的疲勞研究中使用它們。
受影響的體積圍繞著一個移動的接觸壓力。上表面顯示接觸壓力。底部體積顯示剪切應力，藍色為高負值，紅色為高正值，綠色為無應力區域。
使用 Dang Van 模型評估接觸疲勞
一旦計算出穩態載荷周期，就可以根據疲勞模塊所包含的模型之一進行疲勞評估。例如，Dang Van 模型經常被用于壓縮載荷情況，因為它可以考慮到壓縮狀態的影響。此外，模型參數可以很容易地從標準的純拉伸和純扭轉疲勞試驗中提取。
本文來自 ：COMSOL 博客
