基于Archard磨损模型的结构磨损分析

基于Archard磨损模型的结构磨损分析

磨损分析是工程领域中一个重要的研究方向，特别是在机械设计和材料科学中。本文将介绍基于Archard磨损模型的结构磨损分析方法，并通过ANSYS Workbench软件进行仿真计算。通过对比无磨损和有磨损的仿真结果，展示磨损对接触压力的影响。

磨损模型理论

磨损，指摩擦体接触表面的材料在相对运动中由于机械作用，间或伴有化学作用而产生的不断损耗现象。本案例研究的是Archard磨损模型，模拟接触面上的材料摩擦损失，体积损失速率公式如下：

其中，K是磨损系数；H为材料硬度；m是压力指数；n为速度指数；P为接触压力；vrel是相对滑动速度。

案例描述

采用2D平面应力模型，包含2个部件，底部part固定，上端Part与底部part摩擦滑动。两个体之间设置滑动摩擦，无磨损分析直接进行计算，得到的摩擦接触压力恒定；而有磨损分析通过插入命令的方式，设置了Archard磨损系数，以及材料属性，计算的到的摩擦接触压力反应出磨损的存在。

该分析分为三个载荷步，每个载荷步结束时间反应了上端滑块的伪速度。位移加载曲线如下：

仿真操作步骤

1. 启动ANSYS Workbench

（1）首先启动ANSYS Workbench环境。在【File】下拉菜单点击Restore Archive，打开分析文件压缩包“WS5c-Wear.wbpz”，然后保存为“WS5c-Wear.wbpj”文件。

（2）打开该文件后，Workbench环境的起始界面，包含了一个静力分析的流程NoWear，如下图。

2. 进入Mechanical界面进行设置并求解

（1）返回Workbench的起始界面【Project】，即“主页”。

（2）打开ANSYS Mechanical模块：找到项目流程【Project Schematic】窗口下的A项目（静力分析过程），双击其中的【Model】栏目，即打开ANSYS Mechanical模块的界面。

（3）确定Mechanical的单位系统为U.S. Customary(in,lbm,lbf…)。

（4）点击Connection下的接触对，修改接触设置：接触类型为摩擦接触，摩擦系数为0.2，改为非对称（Asymmetric）行为，关闭Trim contact，确保target单元在整个滑动表面啮合；探测方法：使用节点探测。（普通滑移接触不需要节点探测，但是磨损模型必须使用）

（5）点击分析设置，使用自动时间步，即“Program Controlled”；设置Newton-Raphson Option为“Unsymmetric”（大摩擦滑移问题建议使用；），伪速度通过时间和位移来获得（静态分析结束时间是伪时间）。

（6）点解Solve，求解

后处理分析

1. 无磨损模型

在接触工具中查看压力结果，可以看到，接触压力-时间的关系曲线，压力是恒定的，因为没有磨损。

2. 有磨损模型设置

（1）回到Project页：复制Nowear”流程，并命名为“Wear”。

（2）双击（或者右键-Edit）模型Wear的Model，打开其Mechanical界面：

（3）点击摩擦接触对，右键