劉 琦,郁大照,許振曉,王 琳
(1.海軍航空大學(xué),山東煙臺(tái) 264001;2. 92279部隊(duì),山東煙臺(tái) 264003)
航空電連接器在服役過(guò)程中受到振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力和溫度應(yīng)力作用,容易導(dǎo)致內(nèi)部的接觸件產(chǎn)生微米級(jí)的相對(duì)滑移,即微動(dòng)現(xiàn)象。接觸界面在長(zhǎng)期相對(duì)摩擦中,會(huì)造成接觸件表面磨損,這通常意味著接觸件因物質(zhì)損失而發(fā)生了永久變形,并附帶造成這種結(jié)果的能量損耗。如果接觸界面的匹配狀態(tài)發(fā)生變化,則可能對(duì)導(dǎo)通性能造成不良影響?;谶@樣的共識(shí),研究者們對(duì)各類(lèi)電連接器的微動(dòng)磨損問(wèn)題開(kāi)展了廣泛的研究。
S.Fouvry等[1-4]通過(guò)試驗(yàn)觀(guān)察到,當(dāng)帶有貴金屬鍍層的電觸點(diǎn)在微動(dòng)作用下磨損到基底金屬后,會(huì)出現(xiàn)高且不穩(wěn)定的電阻,并進(jìn)一步研究了微動(dòng)振幅、法向力、材料性能以及鍍層厚度等因素對(duì)不同鍍層電觸點(diǎn)失效行為的影響。Wanbin Ren 等[5-9]認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間劇烈的振動(dòng)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電觸點(diǎn)發(fā)生微動(dòng)磨損而失效,通過(guò)試驗(yàn)研究了電連接器的微動(dòng)腐蝕行為,通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型描述接觸電阻與振動(dòng)應(yīng)力(包括頻率和加速度)之間的關(guān)系。劉新龍等[10-13]通過(guò)試驗(yàn)分析了不同氣氛、溫度、法向載荷、位移幅值、電流等基本因素影響下的黃銅/銅接觸對(duì)接觸電阻變化的影響,建立了摩擦磨損機(jī)理與接觸電阻之間的關(guān)系。
由于電連接器接觸件的尺寸較小,在微動(dòng)試驗(yàn)研究中只能通過(guò)對(duì)表觀(guān)現(xiàn)象和物質(zhì)成分來(lái)分析推測(cè)研究對(duì)象的變化過(guò)程,所以很難在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到接觸狀態(tài)的變化和測(cè)量受力的大小,這對(duì)于微動(dòng)研究具有重要的意義。利用仿真分析能夠更加容易地解決上述問(wèn)題。Bo Huang 等[14]建立了微矩形電連接器微動(dòng)模型,計(jì)算了插孔振動(dòng)過(guò)程中扭轉(zhuǎn)銷(xiāo)的位移、接觸力、接觸面積和應(yīng)力狀態(tài)等性能的周期性變化。駱燕燕等[15-17]利用ANSYS對(duì)接觸件振動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真,分析了不同接觸件關(guān)參數(shù)、振頻和沖擊時(shí)的接觸性能變化規(guī)律。Tongyan Yue等[18]在微動(dòng)磨損有限元模擬中,將摩擦系數(shù)設(shè)為與循環(huán)次數(shù)有關(guān)變量,得到恒、變摩擦系數(shù)情況下的磨痕和磨損量,結(jié)果表明,當(dāng)考慮局部滑移時(shí),變摩擦系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更為接近,在總體滑動(dòng)條件下,則對(duì)磨損量影響不大。李應(yīng)[19]運(yùn)用有限元仿真計(jì)算了航空電連接器接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)插拔力、接觸電阻和溫升的影響,并開(kāi)展微動(dòng)試驗(yàn)研究微動(dòng)振幅和頻率對(duì)電阻和表面磨損的影響。
本文主要通過(guò)有限元仿真手段,以飛機(jī)上常用的J599Ⅲ系列22D 型接觸件為對(duì)象,分析其在插合狀態(tài)下的接觸狀態(tài)變化和力學(xué)表現(xiàn),為研究接觸件損傷的行為和機(jī)理提供理論參考。
兩界面在外界載荷的作用下發(fā)生接觸時(shí),首先,會(huì)在部分微凸體上發(fā)生接觸,形成接觸斑(a-spot)。由于接觸斑的面積遠(yuǎn)小于兩界面的名義接觸面積,微凸體受到的局部應(yīng)力又往往較大,當(dāng)超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí),微凸體發(fā)生塑性變形,接觸斑處形成黏著接觸。然后,在剪切力的作用下,接觸界面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),材料被不斷的轉(zhuǎn)移和分離,從而形成了磨損過(guò)程。接觸面滑動(dòng)摩擦過(guò)程示意圖,如圖1所示。
圖1 滑動(dòng)摩擦過(guò)程中不同的微觀(guān)形式Fig.1 Different microscopic forms in the sliding friction process
在材料的彈性變形階段,pm=H3[21],其中H表示布氏硬度,則磨損量W可表達(dá)為:
描述這一過(guò)程的常見(jiàn)接觸模型有Archard 模型、Holm 模型以及木村模型、笹田模型和Buckely 模型等,其中,應(yīng)用最廣泛的是Archard 模型。Archard 模型將摩擦與接觸力學(xué)相結(jié)合,考慮了2 個(gè)具有相似力學(xué)性能的相反微凸體在滑動(dòng)過(guò)程中相互接觸的情況[20]。某一時(shí)刻,形成接觸的2 個(gè)區(qū)域的位置完全確定,經(jīng)過(guò)滑動(dòng)后,接觸面積減小到0,但是,又有新的類(lèi)似的接觸面積在某個(gè)區(qū)域完全建立起來(lái)。在每次粗糙接觸中,化學(xué)鍵合和擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致局部黏接。因此,連續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致微凸體斷裂而從原表面分離,形成表面損傷和磨損。下面介紹Archard磨損方程。
假設(shè)接觸斑的形狀為圓形,半徑為a,在外界載荷的作用下發(fā)生塑性變形。則作用在1個(gè)接觸斑的正壓力Pn為:
式(1)中:pm是微凸體塑性變形時(shí)的屈服應(yīng)力。
界面滑動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)移材料的體積取決于黏著接觸部分的典型尺寸。假設(shè)接觸斑直徑不隨材料轉(zhuǎn)移而變化,則磨損顆粒的體積Vn正比于a3?;诖朔N假設(shè),可將磨損顆粒近似成半球體,其半徑為a,可得體積Vn為:
由于摩擦副產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的距離為2a,則單位滑動(dòng)距離上的磨損量(磨損率)為:
如果每個(gè)接觸斑在每1次滑動(dòng)中都產(chǎn)生1個(gè)磨損顆粒,則總的磨損率為:
式(4)中:P=∑Pn為作用在觸點(diǎn)上的法向載荷。
假設(shè)摩擦副在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的相對(duì)滑動(dòng)距離中,只有比例為k的觸點(diǎn)產(chǎn)生了互磨顆粒,則總的磨損量W可表示為:
這個(gè)方程即為Archard磨損方程。這個(gè)方程的優(yōu)點(diǎn)是可以利用宏觀(guān)物理量的線(xiàn)性關(guān)系即可求得磨損量。從上式可以看出,磨損量W與法向載荷P、滑動(dòng)距離L成正比,與表征材料的抗磨損參量H成反比。k為小于1的無(wú)量綱數(shù),通常稱(chēng)為磨損系數(shù),工程中有時(shí)也將k/H稱(chēng)為磨損系數(shù)。磨損系數(shù)的大小主要受到摩擦條件和材料屬性的控制,通常由實(shí)驗(yàn)得到。
假設(shè)接觸件受到的激勵(lì)按照正弦規(guī)律變化,則接觸面在微動(dòng)過(guò)程中響應(yīng)服從同樣的規(guī)律。設(shè)接觸面的位移滿(mǎn)足正弦振動(dòng)規(guī)律,且振幅為Am,頻率為f,則位移和加速度可以表示為:
式(7)(8)中:am為加速度幅值;t為時(shí)間。Am和am之間的關(guān)系可以表示如下:
當(dāng)接觸界面發(fā)生相對(duì)位移時(shí),微凸體的接觸狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變,比如:有的發(fā)生相互擠壓導(dǎo)致接觸面積增加;有的經(jīng)過(guò)最大接觸面積后彼此遠(yuǎn)離,接觸面積逐漸減小。這是1 個(gè)隨機(jī)過(guò)程。由于接觸凸度很小,假設(shè)接觸面積的變化與相對(duì)位移呈線(xiàn)性關(guān)系,引入?yún)⒘縣c表示面積因子,它與表面形貌參數(shù)有關(guān),則接觸面隨微動(dòng)位移而改變的面積可表示為:
接觸界面在振動(dòng)激勵(lì)作用下,受力和接觸面積都會(huì)發(fā)生改變,在起始位置經(jīng)過(guò)振幅Am后增加額外的接觸壓力可表示為:
式(11)中:Se為初始接觸面積;m為微凸體的質(zhì)量。
文獻(xiàn)[22]研究了鍍金銅合金觸點(diǎn)在頻率范圍為60~1 000 Hz 且滑移幅度在4~62 μm 范圍內(nèi)的微動(dòng)特性。由于該試驗(yàn)所采用的材料,微動(dòng)幅值以及環(huán)境溫度等條件與本研究極為相似,因此,利用該試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)材料的磨損系數(shù)進(jìn)行估計(jì),用于下一步仿真分析。
該觸點(diǎn)由直徑為2 mm 的球頭和平板試驗(yàn)組成,均由銅合金制成,并電鍍厚度為1 μm 的Au。在室溫條件下,施加法向載荷P為5 N,頻率為200 Hz,微動(dòng)90 000 個(gè)周期,微動(dòng)幅值分別為15 μm 和62 μm。采用共聚焦激光掃描顯微鏡測(cè)量磨損后的試件,得到微動(dòng)區(qū)域截面輪廓[22],如圖2所示。磨損坑深而寬,磨損軌跡輪廓規(guī)則而銳利,微動(dòng)區(qū)內(nèi)的鍍金層已經(jīng)磨損,基材銅合金暴露在空氣中。
圖2 鍍金銅合金微動(dòng)區(qū)截面輪廓圖Fig.2 Section profile of the fretting zone of gold-plated copper alloy
俯視微動(dòng)磨損后形成的微動(dòng)疤,外輪廓形狀為圓形,又因?yàn)榻孛孑喞?jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后可視為半個(gè)橢圓,則整個(gè)微動(dòng)疤可簡(jiǎn)化為半個(gè)橢球形。2種微動(dòng)幅值下的微動(dòng)疤幾何參數(shù),見(jiàn)表1。
表1 不同微動(dòng)幅值對(duì)應(yīng)的磨損形貌尺寸Tab.1 Wear morphology size of different fretting amplitudes
觸點(diǎn)在每個(gè)微動(dòng)周期滑過(guò)的相對(duì)距離為微動(dòng)幅值的4 倍,可以計(jì)算得到觸點(diǎn)經(jīng)過(guò)90 000 個(gè)周期滑過(guò)的距離L分別為1.35×106μm 和5.58×106μm。查閱《實(shí)用機(jī)械工程手冊(cè)》,得到基材的布氏硬度為HB162。
插孔簧片端部在經(jīng)過(guò)收口工藝后呈橢圓形閉合,插針形狀為圓柱形,因此,插針和插孔僅在簧片端部中間位置形成接觸。據(jù)此對(duì)插針插孔的全模型進(jìn)行分割,保留一側(cè)插孔簧片和插針圓柱參與接觸的部分,對(duì)其余部分進(jìn)行抑制,得到的簡(jiǎn)化模型,如圖3 所示。
圖3 微動(dòng)磨損有限元模型Fig.3 Finite element model of fretting wear
模型通過(guò)分割插針插孔的實(shí)體模型得到,有利于模擬真實(shí)的受力和變形,而與全模型相比又可以極大地減少計(jì)算規(guī)模。
接觸件材料為銅合金加外鍍層,但由于鍍層材料很薄,對(duì)材料的彈性模量和泊松比幾乎無(wú)影響,接觸件的規(guī)格參數(shù)和基體材料屬性分別見(jiàn)表2和表3。
表2 接觸件的規(guī)格參數(shù)Tab.2 Contact specifications
表3 接觸件基體材料屬性Tab.3 Properties of the contact material
以插針圓柱面為接觸面(圖4 中紅色表面),插孔端部?jī)?nèi)弧面和圓柱面為目標(biāo)面(圖4 中藍(lán)色表面),建立接觸對(duì)。接觸件材質(zhì)為銅基體鍍鎳后再鍍金,因此,磨損主要是由鍍金層之間的相互摩擦造成的。設(shè)置接觸類(lèi)型為摩擦,摩擦系數(shù)參照文獻(xiàn)[23],設(shè)置為0.129 5。在ANSYS 中使用對(duì)稱(chēng)接觸,可以計(jì)算接觸界面兩側(cè)的磨損,使用非對(duì)稱(chēng)接觸,則僅在接觸界面的一側(cè),這樣設(shè)置也有利于在后期處理中查看接觸壓力和摩擦應(yīng)力。這里只需計(jì)算插針的磨損量,因此,設(shè)置接觸行為為非對(duì)稱(chēng)。計(jì)算磨損問(wèn)題時(shí)推薦使用增廣拉格朗日法或罰函數(shù)法,使用純拉格朗日法往往會(huì)導(dǎo)致收斂問(wèn)題,故這里選用增廣拉格朗日法。探測(cè)方法選擇接觸面法向節(jié)點(diǎn)。由于此分析涉及動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題,因此,需要控制求解器在求解過(guò)程中更新接觸剛度的頻率,這里選擇更新屬性為Each Iteration,Aggressive,即在每次平衡迭代接觸時(shí)更新剛度,且允許對(duì)取值范圍進(jìn)行最積極的改進(jìn)。
圖4 摩擦接觸對(duì)的接觸面和目標(biāo)面Fig.4 Contact surface and target surface of the frictional contact pair
只有通過(guò)定義磨損模型并將其賦予接觸單元,才能激活磨損仿真。接觸單元必須定義在磨損的表面上,并將磨損材料定義與這些接觸單元相關(guān)聯(lián)。在摩擦接觸中插入APDL命令如下:
TB,WEAR,CID,,,ARCD !將Archard磨損模型賦予接觸單元
TBDATA,1,k,H,m,n!定義磨損相關(guān)參數(shù)
其中,參數(shù)k、H取值分別為9.6475×10-7和162,m取值為1,n取值為0。
根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理,將接觸件之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。假設(shè)插針固定,插孔以一定振幅和頻率進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。選擇插孔外側(cè)表面建立通用運(yùn)動(dòng)副,并以此表面為基準(zhǔn)建立參考坐標(biāo)系。連接類(lèi)型選擇Body-Ground,類(lèi)型為通用,固定除Z軸方向平動(dòng)之外的所有自由度,如圖5所示。
圖5 通用Body-Ground運(yùn)動(dòng)副Fig.5 General Body-Ground joint
為了平衡模型在求解精度和求解規(guī)模之間的矛盾,將此模型分割為分屬2 個(gè)零件的11 個(gè)部分,對(duì)重點(diǎn)求解區(qū)域,如接觸部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,其他部分進(jìn)行一般全局劃分。在全局設(shè)置中,設(shè)置相關(guān)性值為100,尺寸函數(shù)為自適應(yīng),相關(guān)中心為精細(xì),過(guò)渡類(lèi)型為快速。對(duì)接觸部位進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化以提高求解精度,選中插孔端部和插針上層后插入體尺寸控制,設(shè)置單元尺寸為0.01 mm。網(wǎng)格劃分完成后,如圖6 所示,模型共有單元112 259個(gè),節(jié)點(diǎn)424 165個(gè)。
圖6 模型網(wǎng)格Fig.6 Model grid
將分析設(shè)置為2個(gè)時(shí)間步。第1個(gè)時(shí)間步用于施加收口力使簧片產(chǎn)生變形,結(jié)束時(shí)間為0.001 s。在插針模型的下表面施加固定約束,在簧片端部的上表面施加力,大小為1.4 N,方向沿Y軸向下。
第2 個(gè)時(shí)間步用于產(chǎn)生微動(dòng)位移,使接觸部位產(chǎn)生磨損,結(jié)束時(shí)間為1 s。在運(yùn)動(dòng)副上施加沿Z向的位移,位移按正弦規(guī)律變化,頻率1 Hz ,幅值為10 μm,代入式(7),得到位移A=0.01sin2πt。
在進(jìn)行磨損計(jì)算時(shí)要使用非常小的時(shí)間增量,這里設(shè)置第2 個(gè)時(shí)間步的求解子步數(shù)為初始100 步,最小100步,最大500步。為獲得更好的求解精度,選擇直接求解器。由于涉及剛體位移,需要在求解設(shè)置中打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)。
為了檢驗(yàn)?zāi)P偷奈?dòng)運(yùn)動(dòng)是否符合預(yù)期,在插孔簧片邊緣上選擇1點(diǎn),應(yīng)用探針工具考察其X方向變形情況,如圖7 所示。插孔的運(yùn)動(dòng)輸出趨勢(shì)呈正弦規(guī)律,與加載在插孔端面運(yùn)動(dòng)副上的激勵(lì)保持一致。變形量在1×10-3s 時(shí)為0.87 μm,這是由于在第1 個(gè)時(shí)間步中加載收口力引起的,因此,在第2個(gè)時(shí)間步的微動(dòng)運(yùn)動(dòng)中,此位置成為微動(dòng)運(yùn)動(dòng)的平衡位置。變形量的最大值和最小值分別為10.84 μm 和-9.10 μm,減去平衡位置變形量后,數(shù)值分別為9.97 μm 和-9.97 μm,略小于運(yùn)動(dòng)副輸入的載荷振幅,減小的量是由摩擦阻力和材料變形導(dǎo)致的。
圖7 插孔邊緣上1點(diǎn)在X 方向上的變形情況Fig.7 Deformation of a point on the edge of the jack in the X direction
在第1 個(gè)時(shí)間步中,插孔簧片在外力作用下彎曲變形,完成收口模擬,同時(shí)插針和插孔建立了接觸關(guān)系。利用后處理中的接觸工具查看微動(dòng)過(guò)程中的接觸狀態(tài):縱坐標(biāo)為2 時(shí),對(duì)應(yīng)接觸的滑動(dòng)狀態(tài),如圖8(b)中橙色區(qū)域所示;縱坐標(biāo)為3 時(shí),對(duì)應(yīng)接觸的黏著狀態(tài),如圖8(a)(c)中紅色區(qū)域所示。處于滑動(dòng)或黏著狀態(tài)的接觸區(qū)域形狀類(lèi)似半個(gè)橢圓,其面積就是插針和插孔接觸時(shí),起導(dǎo)電作用的名義接觸面積。通過(guò)提取表面支反力和平均壓力并相除,得到單側(cè)接觸面積保持在0.033 mm2左右,整個(gè)接觸件的名義接觸面積可認(rèn)為是此數(shù)值的2倍。
圖8 接觸狀態(tài)時(shí)間歷程圖Fig.8 Time history of contact status
對(duì)于接觸件的微動(dòng)問(wèn)題,研究其表面和次表面應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和變形具有十分重要的意義。圖8中(a)(c)對(duì)應(yīng)的接觸黏著狀態(tài),均發(fā)生在位移1 ∕4 周期和3 ∕4周期之后,此時(shí)插孔簧片剛剛走過(guò)最大位移處開(kāi)始向相反方向運(yùn)動(dòng)。黏著狀態(tài)與接觸面改變變形量方向的發(fā)生時(shí)間是相契合的,如圖9所示,這表現(xiàn)出了明顯的遲滯效應(yīng),即接觸面的變形(應(yīng)變)在力的作用下增加或減小,但當(dāng)力的方向改變或歸0時(shí),變形不會(huì)立刻改變方向或歸0,而是在慣性的作用下繼續(xù)保持原運(yùn)動(dòng)方向一段時(shí)間。
圖9 接觸面變形響應(yīng)Fig.9 Deformation response of the contact surface
接觸件在完成1 個(gè)微動(dòng)周期時(shí)的等效應(yīng)力圖,如圖10 所示。圖中插孔上的應(yīng)力值并不能反映真實(shí)的受力情況,因?yàn)檎鎸?shí)的情況是插孔簧片收口后的位置才是應(yīng)力為0 的位置,因這里施加了額外的收口力而使插孔收口,該圖可以反映真實(shí)的應(yīng)力分布情況以及插針上的應(yīng)力。插孔上有2 處受力較大的區(qū)域,分別是簧片懸臂的根部和插針插孔接觸部位,簧片懸臂的根部在反復(fù)變形中可能會(huì)導(dǎo)致疲勞斷裂問(wèn)題的出現(xiàn),使插針插孔接觸部位產(chǎn)生微動(dòng)磨損。
圖10 接觸件在完成一個(gè)微動(dòng)周期時(shí)的等效應(yīng)力圖Fig.10 Equivalent stress diagram of the contact when completing a fretting period
插針表面在第1 ∕4、1 ∕2、3 ∕4 和1周期的等效應(yīng)力圖,如圖11所示。該圖反映了插孔在插針表面做周期性滑動(dòng)時(shí)的受力規(guī)律。圖中a)d)為插孔沿X軸正向運(yùn)動(dòng)的最大位移位置和平衡位置的表面應(yīng)力圖,應(yīng)力區(qū)域分別呈熱氣球形和橢圓形,輪廓較為圓潤(rùn),這是因?yàn)橄騒軸正向運(yùn)動(dòng)時(shí),插孔簧片前端倒圓面與插孔發(fā)生接觸,接觸區(qū)域存在平滑過(guò)渡。圖中b)c)為插孔沿X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)的平衡位置和最大位移位置的應(yīng)力圖,表面應(yīng)力區(qū)域形似章魚(yú)頭,插孔簧片端部倒圓面與插針表面接觸面積極小,簧片中間懸臂與插針表面有了更多接觸。利用探針工具提取插針表面的反作用力,單側(cè)力的大小一直保持在0.805 N 左右,由于不同的運(yùn)動(dòng)階段使接觸面積也有所不同,故可以看到雖然最大應(yīng)力在接觸表面的中心處,但表面的應(yīng)力分布卻十分不均勻。從Archard 磨損模型的角度分析,受力相同,則在相同位移下的磨損量相同,但應(yīng)力較大的區(qū)域,相應(yīng)的磨損量也會(huì)更大。
圖11 插針表面在第1 ∕4、1 ∕2、3 ∕4 和1周期的等效應(yīng)力圖Fig.11 Equivalent stress diagram of pin surface in the 1/4,1/2,3/4 and 1 cycle
插針在完成1 個(gè)微動(dòng)周期時(shí)的截面等效應(yīng)力圖,如圖12 所示。在接觸區(qū)域的中心位置有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,在接觸區(qū)下面幾微米處的次表面位置,應(yīng)力值由最大值73.33 MPa 迅速降低至一半左右。隨著微動(dòng)循環(huán)次數(shù)的增加,加之應(yīng)力集中的影響,更容易產(chǎn)生微動(dòng)疲勞,使得在插針的表面或離表面非常近的內(nèi)部有微裂紋成核,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致插針表面材料脫落形成凹坑,這也與以往的試驗(yàn)觀(guān)察結(jié)果相一致。
圖12 插針截面等效應(yīng)力圖Fig.12 Equivalent stress diagram of pin section
在插針近表面建立直線(xiàn)路徑,并利用探針工具查看路徑上正應(yīng)力和切應(yīng)力值,得到圖13。圖中正應(yīng)力和切應(yīng)力值的變化趨勢(shì)與圓柱/平面接觸二維模型接觸表面的應(yīng)力理論解具有相同的分布規(guī)律,說(shuō)明了數(shù)值仿真的合理性。因?yàn)閷?shí)際接觸件的接觸情況比理想的二維模型更加復(fù)雜,在接觸件仿真分析中的正應(yīng)力集中現(xiàn)象十分明顯,所以,在正應(yīng)力曲線(xiàn)中段存在明顯的應(yīng)力尖峰。在圖13 b)中,理論解中切應(yīng)力曲線(xiàn)中段的凹陷是由于黏著接觸引起的,在圖13 c)中,在接觸件仿真中切應(yīng)力曲線(xiàn)的中段同樣存在一小段凹陷,說(shuō)明插針和插孔在摩擦過(guò)程中存在輕微的黏著接觸現(xiàn)象。
圖13 插針近表面路徑的正應(yīng)力和切應(yīng)力Fig.13 Normal stress and tangential stress near the surface of the pin
圖14 插針經(jīng)過(guò)1個(gè)微動(dòng)周期的磨損量Fig.14 Pin wear after a fretting period
本文基于Archard模型分析了接觸件在微動(dòng)磨損過(guò)程中的力學(xué)行為,得到了接觸狀態(tài)、變形、應(yīng)力分布以及磨損量的變化規(guī)律。有限元仿真的參數(shù)和邊界條件基于相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工況,所得結(jié)果具有一定的有效性和合理性,為研究接觸件損傷的行為和機(jī)理提供了理論參考。仿真結(jié)果表明:接觸件的接觸狀態(tài)在第1/4和3/4周期之后會(huì)由滑動(dòng)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶ佑|,且狀態(tài)的變化具有遲滯效應(yīng);在接觸區(qū)域表面和近表面的中心位置有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,此處的微動(dòng)磨損量會(huì)相應(yīng)增大;雖然插孔作用在插針上的應(yīng)力隨微動(dòng)的進(jìn)行不斷變化,但合力值始終保持在0.805 N 左右,所以微動(dòng)磨損量隨著微動(dòng)距離的增加而線(xiàn)性變化。在接觸件微動(dòng)磨損過(guò)程中,接觸界面不僅受到機(jī)械作用,還會(huì)受到電流、外來(lái)顆粒和腐蝕氣氛等的影響,因此,考慮多因素耦合作用下的微動(dòng)磨損行為應(yīng)是下一步的研究重點(diǎn)之一。