基于ANSYS的粗糙表面高温接触摩擦热力耦合分析

发布时间：2020-03-18 04:43

【摘要】：随着汽车轻量化的发展需求,热冲压成形工艺所成形的超高强钢板得到大量的应用。与传统的冷冲压技术相比,热冲压技术因处于高温工况下,材料的可塑性增强,成形性好,能够一次成形复杂的冲压件。并能明显降低冷冲压成形中存在的回弹现象,零件精度高,成形质量能够得以保证。但目前热成形工艺仍有诸多问题有待解决,如工件在折弯处的轻微回弹和局部起皱现象,金属表面损伤较为严重以及热成形所造成的金属组织分布不均等问题。本文基于数值仿真手段构建粗糙表面高温接触摩擦有限元模型,对接触下压和滑动过程进行热力耦合分析,以探究高温摩擦界面微观摩擦磨损机理。本文基于MATLAB与ANSYS构建出随机粗糙表面,利用APDL参数化设计语言实现热成形接触摩擦有限元模型的建立。通过改变粗糙实体粗糙度、温度、外载大小来设置多种工况,进行三维瞬态热-力直接耦合分析,研究接触下压过程中接触界面压力、粗糙实体Von Mises应力、光滑实体温度和接触界面真实接触面积的变化等情况,以及接触滑动过程中接触界面压力、粗糙实体Von Mises应力、真实接触面积和高温接触相关摩擦学性能变化等情况。结果表明,高温工况下,接触压力、粗糙实体Von Mises应力和真实接触区域主要分布在粗糙实体微凸峰附近,随着下压过程中外加压力的增大而增大,滑动过程中呈稳定波动状态,整体数值大小与所施加温度及载荷有直接联系;相同条件下,温度越高,粗糙度越低,真实接触面积比越大,粗糙实体Von Mises应力和接触界面节点最大接触压力值越小;当接触状态由粘结接触转变为滑动接触,接触压力在短暂时间内出现了大幅度的急剧下降,而最大Von Mises应力则迅速变大,真实接触面积将继续增大一定值;塑性变形量与作用压力成正比,且在接触状态改变初期塑性应变在切向摩擦力作用下进一步的增大;最大Von Mises应力在接触摩擦滑动过程中分布于亚表层,揭示了材料失效的原因;粗糙表面初始接触时微凸峰相对于接触表面发生相对滑动,随着外载的增大才处于粘结接触状态;不同工况条件下的粗糙实体的振动规律大致相同,滑动阶段中粗糙实体温度越高,载荷越大,振动幅值越小,即滑动状态越平稳。本文通过有限元方法研究微观高温粗糙接触滑动摩擦作用机理,所得结论可为高温热成形工艺的优化提供一定的理论指导。
【图文】：

热冲压,汽车零部件

为了响应国家节能减排的号召，轻量化的设计理念学者们的广泛重视。轻量化实现途径主要包括结构的工艺以及轻量化新材料的应用。随着工业水平迅速发不断涌现，如高强度钢、镁铝合金、复合材料、工程材料成形工艺的要求会随之提高。典型的轻量化成形光加工、液压成形、半固态成形等得以广泛应用和推传统的冷冲压技术与热处理相结合，能够成形强度高典型应用为超高强钢板热成形技术，并已成为国内外要应用于 A、B 柱，前后保险杠、横向支撑梁等关键汽车轻量化目标，，如图 1.1 所示。与传统的冷冲压技温下，材料的可塑性增强，成形性好，能够一次成形冷冲压成形中存在的回弹现象，零件精度高，成形质成形工艺仍有诸多问题有待解决，例如工件在折弯处，金属表面损伤较为严重以及热成形所造成的金属组

热成形,耦合关系,相变,数值模拟

量化技术的不断发展，热成形工艺也不断的完善，热成形度以上的成形工艺，它的优点是高温下金属的塑性增强，容易产生应力集中，回弹和起皱。热成形过程所涉及的因模具间不仅会发生热传导，也会与周围环境发生对流换热料热物理属性也会随温度而变化，目前对于热成形接触摩过试验手段，而利用数值方法而进行的研究较少，且绝大，罕见从微观角度出发深入研究热接触摩擦行为，该领域仍有大量研究工作有待开展和探索。数值仿真关键技术不仅是包含几何非线性、材料非线性、性问题，其更是一个集结构场、温度场和相变多场耦合的、应力应变和加热三个方面之间的相互作用关系如图 1.2 下，金属微观组织成分会发生变化，导致板料及模具的热随之而发生变化，因此热成形数值仿真必须考虑温度场变和微观组织变化之间的相互影响情况。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH117

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