基于修正Archard模型的清管器聚氨酯皮碗磨损研究

发布时间：2022-01-02 17:57

　　为了研究清管器聚氨酯皮碗的磨损,提出了一种数值模拟的方法。该方法基于修正的Archard模型,并结合ALE自适应网格技术和子程序Umeshmotion来实现该模型。同时为了减少计算时间使用了跳跃因数ΔN,并由仿真结果得出ΔN值为50。采用有限元试验方法模拟了聚氨酯皮碗的磨损过程,由仿真数据拟合得到磨损深度随清管器运行距离的计算公式,其结果表明:随着运行距离的增加,接触表面各位置处的磨损深度都不断增加,磨损区域的宽度在不断增加,且接触表面的轮廓逐渐趋近于水平;最大接触应力下降很快,接触表面的接触应力分布逐渐趋于均匀;接触长度不断增加,其增长率逐渐减小;由拟合公式计算得出的磨损深度值与文献中的实验结果具有一致性。 

【文章来源】：塑料工业. 2020,48(03)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

清管器结构示意图

本论文采用Abaqus软件进行有限元建模，有限元模型如图2所示(采用的清管器是针对的管道)，聚氨酯皮碗过盈量为。考虑皮碗以及管道的轴对称性，有限元模型采用二维平面轴对称模型。相较于清管器皮碗，管道硬度较高，磨损可以忽略不计，因此将管道设置为解析刚体，Elleuch等[12]与Da Silva等[13]认为聚氨酯材料为类橡胶材料，由于自适应网格对超弹性材料模型表现不佳[14]，因此将皮碗设置为线弹性材料，且考虑到文中模拟单向磨损，在此条件下，其材料本构可以近似地采用弹塑性模型(弹性模量为20 MPa，材料硬度为170 MPa，泊松比为0.35)。皮碗与管道之间的摩擦采用库仑摩擦，即q=μp(式中q为临界切应力，p为接触应力，μ为摩擦因数)，过盈配合间的摩擦因数为0.12，切向接触行为由罚函数接触算法进行控制。过盈配合采用自动收缩配合来实现。为了获得接触表面的接触压力和相对滑移的精确结果，接触区域中的网格尺寸非常精细。本文通过切分实现了从接触区域中的粗网格到远离接触区域细网格的急剧过渡。这能够降低有限元分析时间，同时保持计算精度。2 磨损模型

2.2 修正的Archard模型的实现由式(6)可知，节点磨损深度与节点接触应力、位移增量密切相关，因此，为了获得接触表面形状的变化，需得到接触表面接触应力的分布与式(4)所表示节点的位移增量。本文通过Abaqus中的ALE自适应网格技术与子程序Umeshmotion来实现式(6)所表示的皮碗磨损率。ALE自适应网格技术定义了自适应网格约束，用于调整自适应网格区域内节点的位移，且允许自适应网格区域内的网格脱离材料独立流动，在不改变原有网格拓扑结构的情况下，逐步改善网格的质量。子程序Umeshmotion用来控制自适应网格区域中部分网格的运动。磨损模型在Abaqus中的实现如图3所示，即首先通过调用子程序中的实用程序来访问节点的接触应力与位移，利用式(4)计算节点位移增量，再通过式(6)计算节点的磨损深度，然后通过自适应网格技术来调整接触表面磨损后的节点位置，最后在新的接触表面重新进行有限元计算。通过上述不断的循环，就可以模拟出聚氨酯皮碗长距离磨损之后的情况。

【参考文献】：
期刊论文
[1]管道输送能耗统计分析与优化研究[J]. 陈晨.  石油石化节能. 2018(07)
[2]聚氨酯支撑结构免充气轮胎仿真模拟与优化[J]. 王文峰,雍占福,王裕成,黄兆阁.  工程塑料应用. 2018(05)
[3]线接触弹性磨损的数值分析[J]. 占旺龙,黄平.  华南理工大学学报(自然科学版). 2017(05)
[4]清管器两种工作机制对清管效果的影响[J]. 张新宇,陈大庆,赵晓利,李博.  管道技术与设备. 2013(01)

硕士论文
[1]海底管道清管动力学特性研究[D]. 刘淼.中国石油大学(华东) 2016



本文编号：3564624