磨損機理仿真的案例
基于ABAQUS的AlN絕緣涂層磨損機理仿真研究
摘 要：氮化鋁由于其優異的絕緣性和高硬度，被廣泛用于絕緣涂層，有關氮化鋁涂層的摩擦磨損研究較少，磨損去除機理尚不明確。本文基于ABAQUS有限元軟件，采用Archard磨損模型和JH-2陶瓷損傷模型搭建了氮化鋁涂層磨損模型，對氮化鋁材料的磨損機理進行了研究。結果表明載荷與滑行距離是影響磨損的主要因素，氮化鋁材料的磨損量隨兩者的增加而增加。根據材料的應力曲線變化將其分為完全破碎型、部分破碎型和彈性變形型，結合實驗數據與三種類型材料的應力分析共同揭示了氮化鋁材料的磨損機理。
關鍵詞：氮化鋁;磨損機理;仿真;
0 引言
近年來，隨著變頻驅動技術的發展，變頻調速感應電機在機械工業領域的應用更加廣泛，軸承作為電機的關鍵零部件，其可靠性直接影響電機的服役壽命，而電蝕失效是此類電機軸承的主要失效方式[1]，嚴重制約了電機的發展。目前，采用絕緣軸承是解決該類問題的最佳方法，絕緣軸承可有效阻斷軸電流，提高電機的可靠性并延長其服役壽命[2]。然而，傳統絕緣軸承采用的氧化鋁涂層材料存在熱導率低和針孔結構缺陷，會降低涂層絕緣性能。氮化鋁具有硬度高絕緣性能好等特點，被廣泛應用于電子器件絕緣層，使用氮化鋁材料替代氧化鋁可有效改善軸承散熱條件并加強絕緣性能。
絕緣軸承在運輸和安裝的過程中易受到外界機械載荷的作用而使絕緣涂層產生裂紋損傷，在極化作用下涂層中的電荷會在缺陷處聚集，導致缺陷處電壓升高，易造成局部擊穿[3]；絕緣軸承在運行過程中受到滾動體的周期性沖擊與磨損，從而導致絕緣軸承的絕緣性能以及機械穩定性下降，綜上考慮，有必要對氮化鋁涂層材料的摩擦磨損性能磨損進行研究。
隨著計算機科學的發展，學者們開始嘗試借助仿真分析軟件對機械零部件之間的磨損行為進行數值模擬分析。
展開 筆記99：噴丸強化用鋼絲切丸的磨損失效機理
筆記99：噴丸強化用鋼絲切丸的磨損失效機理
設計仿真 | 高壓反應釜深度機理多相流仿真案例
長沙有色冶金設計研究院有限公司（簡稱長沙有色院）為了應對以上技術挑戰，使用海克斯康工業軟件Cradle CFD對高壓反應釜進行了深入研究，通過仿真建立了冶煉高壓反應釜實時液位監測及優化控制系統，最終成果應用于網絡協同智能制造平臺。
Part.01
海克斯康解決方案
高壓反應釜深度機理多相流仿真
構建高壓反應釜深度機理/大數據融合的智慧大模型，是解決這一問題的有效路徑，成果基于500萬網格劃分，首次構建了采用自由液面的高壓反應釜內部氣、固、液三相耦合多場動態模型，提供了精細化管控感知數據來源，達成科研促產目的，平臺累計創效1000余萬元。
本次計算采用了海克斯康旗下的Cradle CFD軟件，該軟件具有強大的前處理功能，針對復雜模型，能夠快速劃分結構化網格為核心的多面體網格；同時具備強大的多相流功能，適應于氣、固、液等復雜多相流仿真；并且具備強大的DEM功能，對于固體顆粒物在反應釜內顆粒動力學仿真有較好的效果，同時可以后期應用于礦石篩選，輸送等仿真；并具備高魯棒性，強大后處理，易上手等特點，適合于本單位。
Part.02
關于長沙有色院
長沙有色冶金設計研究院有限公司（簡稱長沙有色院）于1953年正式成立，國家高新技術企業，是我國最早成立的大型綜合性設計研究單位之一，隸屬于中國鋁業集團有限公司，為中鋁國際工程股份有限公司的全資子公司。
展開 水下聲輻射機理與仿真分析
由于重流體作用，水下結構的聲源分布和聲輻射機理特別復雜，這給水下聲輻射預報和低噪聲設計帶來不少的難題。本文首先對水下聲輻射機理進行了梳理；然后簡要介紹了Simcenter Acoustics聲仿真工具；最后，分別針對不同水下聲源給出了聲輻射仿真方法和流程，同時也分享了一些仿真案例，為相關的水下聲研究提供仿真經驗和數據參考。
一、前言
水下航行器噪聲的主要聲源有：機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。這三種聲源根據產生的部位和機理，相互之間相互獨立也相互有所關聯。在低速隱蔽航行工況，機械噪聲是其最主要的噪聲源，其譜結構特征也最容易被敵方探測到。機械噪聲的主要來源是：動力設備與管路系統和艉部推進傳動系統；在巡航和高速工況，螺旋槳噪聲和水動力噪聲的貢獻量逐漸增大以至于占主導地位。有時為了簡化，水聲研究人員也會將這兩種噪聲統稱為流制噪聲，將螺旋槳作為最重要的流噪聲聲源。本文研究內容是對水下聲輻射機理進行詳細論述，并針對這5種機理采用不同的方法和流程來進行聲學仿真分析。
二、水下聲輻射機理
2.1 結構振動輻射聲
結構振動輻射聲的聲源特征可以視為結構輻射面上一個個具有一定相位關系的活塞輻射，結構表面振動引起附近流體的壓縮和擴張，密度變化而形成聲波傳播出去。因此，在考慮煤質振動速度時需要考慮煤質對結構振動的影響，在水聲學中稱為附連水的影響。
在進行水下結構振動聲輻射時，通常將結構振動與聲輻射分開處理（這與流固耦合中聲振區分是兩個不同的概念）。在結構動力學模型中，基于結構的固有屬性（干模態）建立附連水的模型從而獲得濕模態，并在此基礎上加載載荷、流體力或傳遞的振動來計算獲得結構表面的振動位移、速度或加速度。
展開 
螺紋連接松動機理有限元仿真分析...
通過振幅不同的兩組 仿真結果對比發現，振幅的增加會使螺栓的預緊力下 降得更快，振幅為 0.1 mm 時振動 500 次殘余預緊力 百分比下降至 99.2%，振幅為 0.2 mm 時振動 500 次殘 余預緊力百分比下降至 95.23%。
同時，本文通過仿真得出了螺紋連接結構在松動 的初始階段螺栓和螺母之間的相對運動非常小。如 圖 10，縱坐標的起始值包含了預緊力加載階段的位移 值，振幅為 0.1 mm 時振動 500 次螺母的切向滑移值 僅為 0.03 mm，轉化為角度約等于 0.3°；振幅為 0.2 mm 時振動 500 次螺母的切向滑移值為 0.07 mm。根據上 述數據，振幅不同的兩組曲線在前面一段幾乎重合， 在后一階段振幅為 0.2 mm 的曲線明顯變化加快，螺 母與螺栓之間的滑動致使預緊力下降變快。
3.3 螺紋連接結構松動機理分析
通過上述對螺紋連接松動的仿真，根據螺紋連接松動機理分析螺栓的預緊力降低，分為兩個階段：第 一個階段螺栓與螺母不會產生明顯的相對轉動，但是 預緊力會降低；第二階段螺栓與螺母之間產生明顯的 轉動，預緊力會加快降低直至完全松動。
根據仿真結果中接觸面的摩擦狀態分析螺栓松動 的原因。圖 11 為螺母端面在振動過程中所受橫向受力 （沿 x 軸方向的受力）與振動載荷位移之間的關系， 此次仿真使螺母旋轉 15°加載預緊力，初始預緊力為 765 N，振動載荷幅值為 0.4 mm，振動載荷一共循環 加載 10 次。曲線大致可以分為 4 段，水平段 AB 和 CD， 傾斜段 AD 和 BC。
展開 Abaqus 磨損仿真：從原理到實戰指南 ￥9.9
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。
ANSYS摩擦磨損仿真 ￥49
磨損量統計
基于COMSOL軟件的摩擦磨損數值仿真 ￥1000
<p>本案例建立了一簡化軌道和半球體結構，基于<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/comsol" rel="noopener noreferrer" target="_blank">COMSOL軟件</a>仿真了半球體結構在軌道中往復移動過程中，對軌道的摩擦應力以及對軌道的磨損量進行了計算，仿真結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/deca87c7b6dd4068b89a69ae1a930016.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>軌道摩擦受到的應力動態分布</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/53899b728aff47d1b153b6396e2c1308.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>軌道上凸起結構的磨損量分布</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p>
展開 Deform 磨損仿真案例 ￥9.99
<p><strong>好久沒有更新DEFORM計算算例了，今天來更新一個磨損的仿真案例。磨損在各種加工過程中很常見，是零部件失效的一種基本類型，所以我們要盡可能的避免這個問題。</strong></p><p><br></p><p><strong>下面就通過有限元仿真的方法來了解壓縮過程中的模具磨損情況。</strong></p><p><br></p><p><strong>1、首先新建一個3D問題，并命名為Toolwear</strong></p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/202103/imgs/46f2fb4e2e8347438cdfda97d86e10fa"></p><p><br></p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/202103/imgs/2822f87820524cc98aca1cbb0ab22b2a"></p><p><br></p><p><br></p><p><strong>2、進入前處理界面之后，勾選Heat transfer，因為要考慮坯料與模具摩擦生熱的情況。
展開 MARC進行磨損仿真
采用MARC軟件進行磨損計算，磨損計算基于Archard模型。軟件的基本操作及相關理論背景可自行查閱相關資料，本例僅介紹關鍵建模步驟。模型僅為演示作用，具體參數及網格劃分尺寸為隨意選定。
進行磨損計算時，兩個關鍵參數分別為磨損系數K和循環次數DN。進行磨損計算時，若對每個循環進行計算，將帶來巨大計算量，因此通常假設一定的循環次數內接觸應力和相對滑移保持不變，即以一次循環計算結果代表DN次循環計算結果。
計算案例如下圖，在接觸載荷Fp的作用下，紅色滑塊在藍色平板上作往復移動。
磨損計算關鍵參數設置如下
1磨損系數設置
2循環次數DN設置
磨損過程中磨損深度變化動畫如下
磨損前后滑塊對比圖如下
提供網格文件及命令流文件供學習參考。
EX3.zip
展開 論文導讀 | 復合材料護舷實船碰撞仿真方法及防護機理
導 語
本期推介的“復合材料護舷實船碰撞仿真方法及防護機理”論文發表在上海交通大學學報2023年第6期。護舷在船舶碰撞中起到重要的保護作用，相較傳統橡膠護舷，復合材料護舷吸能性能更強，有更好的耐久性和抗腐蝕能力，且力學性能與其形式密切相關。對不同制備形式、材料參數下的復合材料護舷防護機理進行研究，使其在碰撞過程中充分發揮吸能特性，具有明確的工程應用價值。歡迎相關領域的研究者閱讀、引用！
復合材料護舷實船碰撞仿真方法
01本文亮點
1. 開展了復合材料護舷內層吸能泡沫和外層聚氨酯的壓縮與拉伸試驗測試，并根據材料力學性能確定數值仿真中的材料模型。
2. 根據實際碰撞情況，建立含不同護舷的船體以一定初速度撞擊剛性碼頭的分析模型，對比分析了橡膠護舷與復合材料護舷的防護機理，并對不同制備形式下復合材料護舷的吸能特性進行分析。
02內容簡介
開展裝配橡膠和復合材料護舷的船體在靠泊工況下與碼頭的碰撞動力學仿真計算。首先，選擇適當的材料模型參數，計算橡膠護舷吸能特性并與規范進行對比，驗證模型的適用性。對于復合材料護舷，根據材料力學性能測試所得數據，選擇低密度泡沫模型和超彈性本構模型分別模擬內層吸能泡沫和外層聚氨酯，從而結合幾何模型、接觸設置及邊界條件形成碰撞仿真方法；隨后，基于變形與能量轉換關系，對船體-護舷-碼頭的碰撞特性展開具體分析；最后，調整復合材料芯體剛度、船體剛度、外層保護結構厚度及拉伸剛度，對影響護舷防護特性的因素進行分析。結果表明，提出的新型復合材料護舷，較傳統橡膠護舷有更大的吸能比，且令船體結構不發生損傷的極限動能更大。
展開 
淺析動力電池熱失控機理和仿真分析
四、熱失控仿真
熱失控的分析流程可從電池單體仿真、模組/電池包仿真、電池包測試和驗證，通過測試對仿真的模型進行設計優化。動力電池熱仿真涉及到電-化學仿真、電池熱管理仿真、系統級熱管理仿真。
1、電-化學仿真
電池單體詳細的電化學過程研究
電化學仿真為電池老化的檢查與評估提供了條件
在同一個仿真工具中可以同時進行熱管理和電-熱分析
性能仿真可擴展性
2、電池熱管理仿真
高精度的電池及相關零部件熱管理仿真。
能夠考慮各類熱損失，以更加詳細地考慮溫度場分布
基于有限容積法的多物理場仿真，對固體和流體區域的換熱進行在線耦合仿真，更加準確地再現冷卻過程。
3、系統級熱管理仿真
進行系統級電池冷卻分析，進行chiller和散熱器等部件選型
能夠考慮電流限制的影響
能夠建立從電池熱管理的子系統模型到整車的能量管理模型，從而全面的分析車輛系統和子系統/零部件的能 量流動和效率以及相關控制策略的設計優化
4、動力電池PACK仿真分析
由于篇幅的原因，新能源汽車熱失控仿真分析筆者不再贅述。但是筆者先前在技術鄰平臺發布原創精品課《新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講》和《新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講》已經更新完結，感興趣的朋友可以訂閱。
展開 基于COMSOL軟件仿真輪胎磨損 ￥800
本案例基于COMSOL軟件仿真了輪胎運動過程中的受力及磨損量，磨損模型采用經典的Archard模型，輪胎與地面接觸面為磨損面，磨損量與接觸壓力、摩擦系數、相對滑動速度與磨損系數有關。仿真結果展示如下：
車輪應力分布云圖
車輪與地面接觸磨損量的變化
感興趣的朋友，可下載模型源文件，進行交流。
刀具磨損仿真核心技術簡介
3）除此之外，我們也可以利用基本模型的數據：滑動速度、接觸壓力和接觸面溫度進行子程序開發以定義其他的刀具磨損模型。
2.網格重劃分技術
切削仿真過程中，受刀具磨損的影響刀具幾何形狀逐漸發生改變。如果網格劃分不當就容易產生網格畸變，進而在網格變形以及溫度迭代計算過程就會產生不收斂現象，這會在一定程度上影響仿真數據的準確性，嚴重的會導致計算停止。
利用ALE自適應網格技術可以解決由于大塑性變形導致單元畸變的問題，當單元在切削仿真過程中達到仿真前處理中所設置的網格重劃分標準或者網格不可用（雅克比矩陣為負值）的情況下，網格就會自動重劃分。刀具磨損仿真中的四個網格重劃分標準：單元穿透率、刀具行程、切削時間、增量步長。在仿真過程中，我們可以根據具體工況和精度、效率等要求靈活調整以上標準的具體值，也可以使用軟件默認的數值。
3.刀具磨損仿真流程
4.刀具磨損仿真軟件
可用于刀具磨損的仿真軟件有四種，分別是：abaqus、dyna、advantedge和deform。其中前兩種屬于通用仿真軟件，后兩種屬于專用切削仿真軟件。Advantedeg軟件的刀具磨損目前只支持Chip Load 為常數的2D車削、3D車削及3D環槽,不支持涂層刀具。Deform軟件可以做二維和三維的車削、銑削和鉆削刀具磨損仿真。
5.刀具磨損仿真技術展望
目前的刀具磨損預測大多是假設刀具為正常磨損，忽略了崩刃、剝落等破損情況，可以將這些破損方式加以考慮進行進一步研究，使模擬與真實的刀具磨損過程更加接近。刀具磨損率方程較多，但大多為基于某種單一的磨損機理建立的方程。磨損率方程中的系數大多 由切削碳鋼獲取且年代較久，難以適應目前工件材料和刀具材料的快速變化，應用這些方程進行仿真有可能獲得錯誤的結論，因此今后在建立新的磨損率模型方面可以做進一步研究。
展開 使用MSC.MARC的磨損仿真實例
該模型是一個鎖機構，指型鎖在上鎖和開鎖的過程中與基座之間會產生磨損。如下圖所示，與地面固連的是基座，上下運動的是指型鎖。鎖的表面會和基座在相對運動中產生磨損。
本文將講述如何使用MSC.MARC實現對該磨損的有限元仿真，最后將輸出指型鎖的磨損量wear index。
由于該卡爪鎖是軸對稱的，所以只取其中一個指進行計算仿真。
Marc使用的磨損本構模型是Archard磨損計算模型，本構方程如下：
V=KNL/H
此時，式子中的K即為磨損系數。
通常，K的大小表示的是一個材料在磨損過程中產生磨粒的概率。并且各種不同材料構成的摩擦副所對應的K差別巨大，并且可以知道材料的磨損與摩擦形成和法向壓力成正比，與材料的硬度成反比。此式就是Archard的磨損模型，式中認為與摩擦副產生磨損有關的因素是法向壓力、摩擦的距離和材料硬度，但是在磨損的過程中，還有其他因素的影響，即使相同材料的磨損在不同的情況下，磨損系數也會有很大的差異，所以磨損系數K的物理意義其實是排除了前三個磨損因素外的所有影響磨損的因素的集合，代表了一個摩擦副可能發生磨損概率的大小，所以，磨損系數不易確定，并且變動的范圍很大，因此，對于特定的工作工況，如此次的指型鎖卡住脫開實驗，應該根據本實驗來確定機構的磨損系數，即在使用有限元仿真的過程中，確定磨損系數是保證整個運算結果是否準確的關鍵。在理想條件下，研究者在理想條件下測的了一些金屬接觸的實驗數據，可供設置系數時參考，如下表所示。
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