1. 磨損建模理論基礎

1.1 基本原理

零件在接觸過程中，因摩擦、擠壓等因素會導致表面材料損耗，即磨損。Abaqus采用改良版的Archard磨損模型進行磨損量計算。其核心特點是：

?       模擬時僅在接觸層面考慮由磨損引起的節點位置偏移。

?       磨損不影響零件內部單元的計算。

?       對于中小程度的磨損量，無需啟用ALE（任意拉格朗日-歐拉）自適應網格技術即可保證精度。

對于大磨損量（如磨損厚度接近網格單元尺寸）的模擬，可在 Abaqus/Explicit 中結合ALE自適應網格技術，使網格隨磨損后的形狀動態調整，從而保持計算精度。此外，軟件也支持通過特定方法高效模擬如軸承旋轉等數百萬次循環的磨損過程。

1.2 Archard磨損模型及其形式

Abaqus提供了4種Archard磨損模型，主要分為兩大類：

第一類：與摩擦系數相關

?       適用于磨損主要由滑動摩擦主導的場景（如零件滑動摩擦）。

?       其物理本質與摩擦消耗的能量相關。

?       磨損速率與摩擦能密度耗散率成正比。

第二類：與摩擦系數無關

?       適用于低摩擦或無摩擦場景（如純擠壓導致的磨損）。

?       磨損主要與接觸壓力相關。

磨損系數可定義為磨損量、接觸壓力、溫度及場變量的函數，從而實現復雜行為的模擬。例如，可模擬帶防護涂層的零件：當涂層被磨掉后，通過設置磨損系數增大來反映基材更易磨損的特性。

Archard磨損方程的不同形式

模型類型	無量綱磨損系數形式	有量綱集總磨損系數形式
與摩擦系數無關
顯式依賴摩擦系數

參數說明：

?       ：瞬時磨損速率（單位：長度/時間，如 m/s）

?       ：無量綱磨損系數

?       ：有量綱集總磨損系數（單位：長度/(應力·時間)，如 m/(Pa·s)）

?       ：摩擦系數

?       ：法向接觸壓力（單位：應力，如 Pa）

?       ：滑移速率模（單位：1/時間，如 1/s）

?       ：摩擦應力

?       ：材料硬度（單位：應力，如 Pa）

當滑移速率不為零且摩擦應力存在時，依賴摩擦系數的磨損速率可寫為： 。其中，摩擦能密度耗散率為  ，因此  ，表明磨損速率與摩擦能密度耗散率成正比。

1.3 磨損計算注意事項

?       在Abaqus/Standard中，僅當接觸公式支持接觸面局部區域接觸時，才會在接觸表面累積磨損。因此，通用接觸中的補充接觸公式（邊-面、邊-邊、點-面）不參與磨損累積。

?       線性攝動分析步不產生磨損累積。

2. 磨損仿真適用范圍與設置

2.1 求解器與接觸類型支持

功能	Abaqus/Standard	Abaqus/Explicit
支持的接觸形式	通用接觸、接觸對	僅通用接觸
結合ALE自適應網格	不支持	支持
結合分析步循環	支持	不支持（需通過縮放因子）
分析步支持	除*MATERIAL MIGRATION和穩態傳輸分析步中的特定情況外，常規分析步均支持	常規分析步支持
單元類型限制	未明確限制	僅支持實體單元

2.2 磨損屬性的定義與分配

定義方法

磨損屬性需作為表面屬性進行定義。

?       輸入文件用法：

Plain Text *SURFACE PROPERTY, NAME=<表面磨損屬性名稱> *WEAR SURFACE PROPERTIES, UNITLESS WEAR COEF=YES/NO, FRIC COEF DEPENDENT=YES/NO, REFERENCE STRESS=<硬度值> <磨損系數數據行>

?       Abaqus/CAE操作：

 進入相互作用模塊 → 創建相互作用屬性 → 類型選擇“磨損”。

分配方式

對于接觸對：需將命名表面磨損屬性分別分配至接觸對的兩個接觸面。

Plain Text *SURFACE, NAME=<接觸面名稱>, TYPE=NODE/ELEMENT, PROPERTY=<表面磨損屬性名稱> *CONTACT PAIR, INTERACTION=<相互作用屬性名稱> <從面名稱>,<主面名稱>

對于通用接觸：通過*SURFACE PROPERTY ASSIGNMENT選項進行分配。

Plain Text *SURFACE PROPERTY ASSIGNMENT, PROPERTY=WEAR <接觸面A名稱>, <磨損屬性名稱1> <接觸面B名稱>, <磨損屬性名稱2>

注意：如果接觸面存在重疊區域，重疊部分將采用最后分配的磨損屬性。

3. Abaqus/CAE中的磨損屬性設置詳解

在Abaqus/CAE的磨損屬性設置窗口中，各項參數含義如下：

磨損屬性設置主界面

設置項	含義與選擇
Name/Type	自定義屬性名稱；類型固定為Wear。
Friction coefficient dependent	是否讓磨損模型依賴摩擦系數。<br>? 勾選：使用“顯式依賴摩擦系數”的模型。<br>? 不勾選（如圖）：使用“與摩擦系數無關”的模型。
Unitless wear coefficient	是否使用無量綱磨損系數。<br>? 勾選：使用無量綱系數k，需在下方Reference stress中填寫材料硬度H。<br>? 不勾選（如圖）：使用有量綱集總磨損系數\hat{k}。
Reference stress	僅當勾選Unitless wear coefficient時激活，用于填寫材料硬度H。
Wear Coefficient (Data區域)	填寫磨損系數值。根據上方勾選狀態，此處對應k或\hat{k}。單位需與模型一致。
Use surface temperature dependent data	磨損系數是否隨表面溫度變化。
Use surface wear distance dependent data	磨損系數是否隨累積磨損量變化（例如模擬涂層磨穿后系數增大）。
Use contact pressure dependent data	磨損系數是否隨接觸壓力變化。
Number of field variables	用于控制磨損系數的場變量數量。

3.1 INP文件導出注意事項

從Abaqus/CAE導出INP文件時，磨損屬性部分可能出現格式錯誤，例如**結束符與數據行錯位，導致計算報錯。

錯誤示例：

*Surface Property, name=WEAR1 *WEAR SURFACE PROPERTIES, FRIC COEF DEPENDENT=NO, UNITLESS WEAR COEF=NO 7.5e-05, , , , ** <-- 此星號可能與上一行合并

解決方法：手動打開INP文件，確保**獨占一行。

4. 高級建模策略：大量循環磨損

4.1 方法一：縮放磨損系數 (Abaqus/Explicit)

對于需要模擬大量物理循環（如數百萬次）的場景，可將N個物理循環合并為單個模擬循環。

?       原理：在磨損系數中引入縮放因子N。即，在仿真中使用的磨損系數為實際系數乘以N。

?       要求：需合理控制N的大小，以確保單個模擬循環內局部接觸應力分布變化不大，從而保證磨損積分精度。

4.2 方法二：分析步循環 (Abaqus/Standard)

利用Abaqus/Standard的分析步循環功能，重復執行某一分析步或分析步序列，直至滿足終止條件（如達到目標磨損量）。

?       需要在INP文件中手動添加關鍵字。

?       關鍵參數：

?      首個模擬循環等效的物理循環數。

?      單個模擬循環允許的最大增量磨損量閾值。

?      磨損終止條件（如最大總磨損量）。

?      后續循環的等效循環數會根據前一步的磨損量自動調整。

輸入文件示例：

*STEP CYCLING, START, NAME=Sample cycle repeat 10,                   ! 最大重復次數 10000,25000          ! 初始等效循環數，最大等效循環數 *STEP,NAME=WearStep-1 ... ! 分析步定義 *END STEP *STEP, NAME=WearStep-2 *STEP CYCLING CONTROL, ACTION=END CYCLING, CRITERION=WEAR-BASED, NAME=SCC-1 NodeSet1, AbsMin, 0.004, 0.002  ! 節點集1，判斷類型，終止閾值，單循環目標值 NodeSet2, AbsMax, 0.012, 0.006  ! 節點集2，判斷類型，終止閾值，單循環目標值 ... ! 分析步定義 *END STEP *STEP CYCLING, END

5. 特殊工況：穩態傳輸分析

在穩態傳輸分析步中，材料在固定網格內對流。

?       磨損計算特點：網格節點處的磨損量，等于某一時刻占據該節點的材料點在旋轉坐標系轉動一周、沿其流線運動過程中所累積的磨損量。

?       計算方法：在穩態假設下，材料點的磨損速率歷程，通過沿其流線的局部磨損速率空間分布進行平均得到。磨損僅發生在流線與接觸面相作用的弧段。

?       注意：過大的磨損偏移量可能導致接觸穿透，影響計算精度。

6. 啟用ALE自適應網格 (Abaqus/Explicit)

當預測磨損量與單元尺寸相當時，建議啟用ALE自適應網格技術以保持精度。

?       工作原理：

a.    節點位移主要由磨損量決定（作為空間網格約束）。

b.    在ALE網格調整增量步之間（默認每10個增量步執行一次），磨損量以節點矢量形式參與接觸計算。

c.     當觸發ALE增量步時，累積的磨損矢量將轉化為網格節點的實際位移。

7. 結果輸出

磨損仿真結果通過接觸磨損變量 CWEAR 輸出，它是接觸面節點的累積磨損矢量。

?       Abaqus/Standard：支持場輸出和歷程輸出。

?       Abaqus/Explicit：僅支持場輸出。

?       注意：輸出CWEAR需要在INP文件中手動請求。

輸入文件用法：

?       請求場輸出：

*OUTPUT, FIELD *CONTACT OUTPUT CWEAR

?       請求歷程輸出（僅Standard）：

*OUTPUT, HISTORY *CONTACT OUTPUT, NSET=<節點集名稱> CWEAR