弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法技术

本发明专利技术提供一种弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法，首先获取摩擦副接触面三维形貌坐标，建立真实织构表面模型，求解膜厚分布和油膜压力，并计算出表面法向压应力和表面切向剪应力，通过特定方法将表面法向压应力和表面切向剪应力施加到模型上，通过计算亚表层应力和应变，对比不同形貌表面亚表层结果差异，为零件的表面形貌设计提供参考，该方法可以有效、简便、快捷的对零件接触面进行分析，适用性强，为零件的表面形貌设计提供参考，延迟零件使用寿命。延迟零件使用寿命。延迟零件使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法


[0001]本专利技术属于摩擦副亚表层特性研究领域，尤其涉及在弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法。

技术介绍

[0002]机械设备使用过程中，总伴随着各种机械零部件的损坏和失效，对机械零部件的更换是机械日常维护的重要开销，极大的影响了设备的运营成本，如何延长机械零部件的使用寿命是相关工作人员广泛关注的问题。
[0003]现在研究发现，接触副的亚表层应力与疲劳寿命有密切关系，表面织构技术被认为是一种有效改善亚表层应力的手段，因此研究织构表面形貌对亚表层应力场的影响具有重要意义。目前，关于考虑织构表面形貌效应对亚表层应力场影响的模拟分析主要以干摩擦为主，对于弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法尚缺少有效研究手段。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法，该方法可以有效、简便、快捷的对零件接触面进行分析，适用性强，为零件的表面形貌设计提供参考，延迟零件使用寿命。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法，包含下述步骤：S1：通过三维形貌测量仪获取接触表面的三维形貌数据，利用三维形貌数据建立真实织构表面模型；S2：计算弹流油膜的膜厚分布和油膜压力，并计算出表面法向压应力和表面切向剪应力，1）、Reynolds方程，式中，p为油膜压力；为润滑油的密度；η为润滑油的动力黏度；u为卷吸速度；h为油膜厚度；表示沿x方向的压力梯度，表示沿y方向的压力梯度；2）、膜厚方程，式中，R
x
和R
y
分别为接触界面在x和y方向上的当量曲率半径，r(x,y)为表面粗糙度
函数，v为变形方程：，E为综合弹性模量；3）、粘压方程，式中，η0为大气压下润滑油的黏度；4）、密压方程式中，ρ0为大气压下润滑油的密度；5）、载荷平衡方程式中，W是外载荷， 为计算的整个区域；联立上述方程，采用数值方法求解得到光滑表面下弹流润滑的油膜压力和油膜厚度分布利用公式算出表面法向压应力P，式中为最大赫兹接触应力；再利用公式求得表面切向剪应力，式中，为非牛顿流体的当量黏度，为z=h表面的速度，为z=0表面的速度；S3：将模型导入abaqus软件，设置模型参数，将表面法向压应力和表面切向剪应力施加到S1建立的真实织构表面模型；S4：利用abaqus软件结果输出，通过仿真得到弹流润滑条件下不同表面形貌的亚表层应力分布状态和应变深度差异，对比分析不同表面形貌参数在弹流界面摩擦过程中的亚表层特性变化趋势，得出可以改善零件受力状况的微凹坑织构参数，实现对织构形貌参数进行优选。
[0006]所述步骤S1中三维形貌数据，利用matlab软件处理后，再利用Rhino软件将矩阵数据转换成点云数据，将点云数据封装后带入建模软件建立真实织构表面模型。
[0007]步骤S3中施加表面切向剪应力的方法是，在abaqus中将模型划分网格后，获取模
型上需要施加载荷的表面；使用for循环遍历该表面上的每个单元，并计算每一个单元的形心坐标；再使用for循环将三维形貌仪在该表面采集的每一行形貌坐标依次与每个单元的形心坐标数值大小进行对比，找出每个单元形心坐标与它差值最小的形貌坐标；然后编写关键字将每个形貌坐标对应的表面切向剪应力施加到与它数值差值最小的单元里。
[0008]步骤S3中施加表面法向压应力的方法是，获取模型上需要施加载荷的表面，在abaqus中创建一个映射场，将三维形貌仪在该表面采集的形貌坐标和每个坐标对应的法向压应力数据粘贴到这个映射场的数据值表格里，然后选取该映射场，将法向压应力加载到此表面上。
[0009]本专利技术模拟方法，利用三维形貌仪获取一段接触面的三维坐标，建立真实织构表面模型，利用弹流润滑数值计算程序和公式计算出表面法向压应力和表面切向剪应力，将表面法向压应力和表面切向剪应力利用有限元软件施加于建立的模型，从而得到分析结果。本专利技术的亚表层应力场仿真分析方法对分析齿轮、轴承等零件亚表层应力分布和应变深度具有普遍适用性，且具有计算量小、直观性强、操作简单的优点。
附图说明
[0010]图1为实施例中三维形貌仪采集的0.82mmx0.82mm试件表面形貌；图2为实施例中建立的织构表面；图3为实施例中建立的织构表面实体；图4为实施例中模型施加表面法向压应力；图5为实施例中模型施加表面切向剪应力；图6为实施例中相同工况不同织构表面亚表层应力对比图；图7为实施例中相同工况不同织构表面亚表层应变对比图。
具体实施方式
[0011]下面将结合说明书附图和具体的实施例对本专利技术所述的一种弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法做进一步的详细说明。
[0012]利用激光加工方法制造织构表面形貌，织构加工完成后，由于会有碎屑残留在表面，所以使用不同型号的金相砂纸对表面进行精细打磨，并配合使用金相显微镜和二维轮廓仪观察打磨效果。打磨至微凹坑表面残留熔融金属完全去除后，再使用丙酮进行超声清洗，确保去掉打磨过程中留下的残渣。
[0013]弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法，包括如下步骤：S1:通过非接触式三维光学形貌测量仪获取接触表面的三维形貌数据，如图1，将采集到的三维形貌数据导入matlab中进行降噪处理。对数据进行预处理之后，将数据保存txt格式。其中第一列，第二列，第三列数据分别对应为每个采集点的x，y，z坐标；将提取的txt格式文件导入犀牛软件，建立点云，生成织构表面，如图2，然后导入solidworks软件中生成实体，如图3，建立真实织构表面模型；S2:利用弹流润滑数值计算程序算出油膜厚度和压力分布，基于等温点接触弹流润滑问题的基本方程，并计算出表面法向压应力和表面切向剪应力；1）、Reynolds方程，
式中，p为油膜压力；为润滑油的密度；η为润滑油的动力黏度；u为卷吸速度；h为油膜厚度；2）、膜厚方程，式中，R
x
和R
y
分别为接触界面在x和y方向上的当量曲率半径，r(x,y)为表面粗糙度函数，v为变形方程：，E为综合弹性模量；3）、粘压方程，式中，η0为大气压下润滑油的黏度；4）、密压方程式中，ρ0为大气压下润滑油的密度；5）、载荷平衡方程式中，W是外载荷，为计算的整个区域。
[0014]联立上述方程，采用数值方法求解得到光滑表面下弹流润滑的油膜压力和油膜厚度分布利用公式算出表面法向压应力P，式中为最大赫兹接触应力；再利用公式求得表面切向剪应力，式中，为非牛顿流体的当量黏度，为z=h表面的速度，为z=0表面的速度；S3:编写python程序，将表面法向压应力和表面切向剪应力施加到模型上；步骤S3
的中施加表面切向剪应力的方法是，在abaqus中将模型划分网格后，获取模型上需要施加载荷的表面；通过abaqus的二次开发功能，运行脚本文件，使用for循环遍本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.弹流润滑条件下考虑织构表面形貌效应的亚表层特性模拟方法，包含下述步骤：S1：通过三维形貌测量仪获取接触表面的三维形貌数据，利用三维形貌数据建立真实织构表面模型；S2：计算弹流油膜的膜厚分布和油膜压力，并计算出表面法向压应力和表面切向剪应力，1）、Reynolds方程，式中，p为油膜压力；为润滑油的密度；η为润滑油的动力黏度；u为卷吸速度；h为油膜厚度；表示沿x方向的压力梯度，表示沿y方向的压力梯度；2）、膜厚方程，式中，R
x
和R
y
分别为接触界面在x和y方向上的当量曲率半径，r(x,y)为表面粗糙度函数，v为变形方程：，E为综合弹性模量；3）、粘压方程，式中，η0为大气压下润滑油的黏度；4）、密压方程式中，ρ0为大气压下润滑油的密度；5）、载荷平衡方程式中，W是外载荷， 为计算的整个区域；联立上述方程，采用数值方法求解得到光滑表面下弹流润滑的油膜压力和油膜厚度分布利用公式算出表面法向压应力P，式中为最大赫兹接触应力；再利用公式
求得表面切向剪应力，式中，为非牛顿流体的当量黏度，为z=h表面的速度，为z=0表面的速度；S3：将模型导入abaqus软件，设置模型参数，将表面法向压应力和表面切向剪应力施加到S1建立的真实织构表面模型；S4：利用abaqus软件结果输出，通过仿真得到弹流润滑条件下不同表面形貌的亚表层应力分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李直，杜溢渊，徐志明，乔旭钱，赵雨鹏，陈岩，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：