销盘滑动磨损试验的仿真方法研究

摩擦学仿真是现代信息技术和计算机仿真技术并结合各种数学方法在摩擦学领域发展起来一门新的研究课题。由于实际摩擦学系统的复杂性和工况的不同,使传统模拟试验方法获得的结果往往只是定性的,不能很好地应用于摩擦学系统的设计和实际工程应用。有必要寻求新的方法和手段深入研究磨损的定量规律,否则就不可能期望在磨损的预防与控制上取得根本性突破。本课题研究的正是通过计算机技术和数学分析方法,选择销盘滑动磨损试验这类典型磨损试验系统为研究对象,进行滑动磨损试验的摩擦学仿真研究,以期提供一种新的磨损研究分析方法和相应的磨损仿真模型,实现基本的摩擦学接触问题和磨损问题的仿真。 本文主要研究内容及结果如下: (1)选择机械零件常用材料45钢制作磨损试件,在MMW-1立式万能摩擦磨损试验机进行销盘滑动磨损试验。通过改变载荷、转速和热处理状态(硬度),获得了这些参数对磨损的影响规律。 (2)在试验数据和理论分析基础上,建立了包含多个参数的磨损仿真模型;用试验数据确定了模型的参数,并用试验数据对模型进行了验证,结果表明,仿真模型基本能反映销盘干滑动磨损试验的输入输出关系。 (3)在对摩擦副接触特性和接触应力计算理论分析基础上,推导了销盘接触应力理论计算模型。利用ANSYS软件分别对销盘接触副进行二维和三维的接触应力模拟分析。有限元模拟分析结果表明,接触界面压力分布是不均匀的,接触面中间接触压力小、边缘大,峰值达到外加载荷的2.786倍。销盘接触由静态变为动态时,接触应力场在形态和数值上都发生很大变化。三维和二维模型的计算结果类似,只是在数值有少量变化。分析结果表明,ANSYS有限元法可以用来对理想接触状态进行模拟,便于从直观上分析销盘的受力状态和它的摩擦磨损机理。 (4)通过对销盘摩擦副试验工况条件的分析,建立起销盘试样摩擦表面温度及温度场分布的理论模型,对45钢销盘销试样摩擦表面温度及温度场分布进行模拟计算;并采用有限元法对摩擦表面温度场进行了仿真计算。计算结果表明,一维温度场稳态理论模型及二维差分稳态模型计算结果一致;二维和三维的有限元瞬态模型的计算结果进一步验证了一维稳态理论计算模型的可信性。有限元计算结果表明,销盘摩擦副在滑动磨损过程中,从开始滑动40s左右,温度场达到稳态,沿销轴线方向,稳态温升基本呈线性分布;二维和三维有限元模型计算的接触面最高温升基本一致; (5)针对销盘干滑动磨损率试验数据,分别进行了一元非线性回归模型、多元非线性回归模型和BP神经网络模型研究。通过对不同函数类型的一元非线性回归、多元非线性回归模型的分析,结果表明,指数回归模型的预测效果最好。通过比较不同隐层接点数的网络模型的预测结果分析,发现隐层接点数在7时,可获得较佳的预测结果,据此确定了网络模型的结构和具体参数。回归模型和BP网络模型都能够用来对销盘磨损率进行预测,但BP模型预测的精度更高。