CN109084975A - 一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，本方法以相互作用中比重最大的温度和接触压力为切入点，以机械磨损的根本诱因——机械运动为研究对象，以其产生的摩擦热来贡献不完全冷却厚壁圆筒传热模型，从而获得修正后的厚壁圆筒内壁全局温度分布，通过烧蚀磨损材料退化数学模型获得厚壁圆筒内壁全局烧蚀磨损量；以烧蚀磨损的根本诱因——温度为研究对象，以其产生的厚壁圆筒内壁热软化及热熔化来更新厚壁圆筒内壁一应材料特性，从而获得修正后的厚壁圆筒内壁全局接触压力分布，通过机械磨损材料退化数学模型获得厚壁圆筒内壁全局机械磨损量。通过本方法可以获得厚壁圆筒内壁全局磨损量，定量性研究厚壁圆筒材料退化过程。

Description

一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法
技术领域
本发明属于摩擦磨损领域，具体涉及一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法。
背景技术
厚壁圆筒内壁磨损问题是轴筒式装置相对运动过程中难以避免的问题，其中存在两种磨损形式，即烧蚀磨损和机械磨损，两者的诱因之间存在复杂的相互促进作用。现有的研究方法主要是采用仪器仪表对厚壁圆筒进行烧蚀磨损测量，首先难以获得厚壁圆筒全局动态磨损量，其次对于厚壁圆筒的材料退化过程的监测难以实现，此外现有研究方法存在一定的局限性，缺乏对于机械磨损以及烧蚀磨损机械磨损相互促进机理的研究。本方法以相互作用中比重最大的温度和接触压力为切入点，以机械磨损的根本诱因——厚壁圆筒推进轴相对运动为研究对象，以其产生的摩擦热来贡献不完全冷却厚壁圆筒传热模型，从而获得修正后的厚壁圆筒内壁全局温度分布，通过烧蚀磨损材料退化数学模型获得厚壁圆筒内壁全局烧蚀磨损量；以烧蚀磨损的根本诱因——温度为研究对象，以其产生的厚壁圆筒内壁热软化及热熔化来更新厚壁圆筒内壁一应材料特性，从而获得修正后的厚壁圆筒内壁全局接触压力分布，通过机械磨损材料退化数学模型获得厚壁圆筒内壁全局机械磨损量；综合烧蚀磨损和机械磨损，从而获得厚壁圆筒内壁总磨损量。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，解决了现有技术存在的厚壁圆筒材料退化来源缺失，机械磨损和烧蚀磨损研究割裂进行，同时也解决了厚壁圆筒材料全局动态磨损难以测量的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、进行厚壁圆筒有限元建模；
步骤2、对有限元模型进行动态热位移分析，获得厚壁圆筒内壁机械摩擦生热，并基于ABAQUS二次开发子程序Film进行厚壁圆筒内壁和高温燃气对流换热，然后综合摩擦生热热分配和对流换热对厚壁圆筒进行热传导分析，得到厚壁圆筒内壁全局温度分布；
步骤3、推导烧蚀磨损退化模型，并基于ABAQUS二次开发子程序Umeshmotion，采用烧蚀磨损退化模型获得厚壁圆筒内壁烧蚀磨损量，其中烧蚀磨损退化模型如下式所示；
式中u为烧蚀磨损材料退化速度，q(τ)为厚壁圆筒内壁受热时平均热流密度，ρ为钢密度，L为钢熔化潜热，cp为钢比热，tp为钢材料最低熔点，t0为外部环境温度；
步骤4、更新厚壁圆筒推进轴有限元模型材料动态特性；
步骤5、基于Archard磨粒磨损理论推导机械磨损退化模型，采用顺序耦合的方式，先对有限元模型进行动态显示有限元分析，获得厚壁圆筒内壁接触压力分布，再基于ABAQUS二次开发子程序Umeshmotion，采用机械磨损退化模型获得厚壁圆筒内壁机械磨损量，其中机械磨损退化模型如下式所示；
式中h为机械磨损量，K为炮钢/紫铜接触对磨损系数，通常取K＝6×10-4，p为厚壁圆筒推进轴接触副接触压力，s为弹带与厚壁圆筒接触宽度，H为炮钢的硬度。
步骤6、综合烧蚀磨损退化模型和机械磨损退化模型计算的磨损量，获得不同射弹发数时期厚壁圆筒内壁各个部位磨损量。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)将机械磨损引入了厚壁圆筒武器内壁磨损的研究，推导了机械磨损材料退化模型；
(2)一定程度上解决了烧蚀磨损和机械磨损割裂研究的现状，给出了机械磨损和烧蚀磨损相互作用机理。
附图说明
图1为本发明轴筒式装置结构简图。
图2为本发明一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法具体实现框图。
图3为考虑摩擦热的厚壁圆筒内壁传热分析框图。
图4为考虑摩擦热的100ms厚壁圆筒内壁表面温度分布图(由于射弹发数较多，取前六发弹为研究对象)。
图5为实测厚壁圆筒内壁表面温度峰值处温度随时间变化规律图。
图6为有限元法求解的厚壁圆筒内壁表面温度峰值处温度随时间变化规律图。
图7为本发明一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法中不同循环次数厚壁圆筒内壁烧蚀磨损曲线图。
图8为本发明一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法中不同循环次数厚壁圆筒内壁机械磨损曲线图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
步骤1、取轴筒式推进装置为研究对象，采用六面体减缩积分单元对厚壁圆筒、弹丸和弹带等进行离散化建模，其结构如图1所示。
步骤2、对有限元模型进行动态热位移分析，获得厚壁圆筒弹丸摩擦生热，并基于ABAQUS二次开发子程序Film进行厚壁圆筒内壁和高温燃气对流换热，然后综合摩擦生热热分配和对流换热对厚壁圆筒进行热传导分析，得到厚壁圆筒内壁全局温度分布，并采用了有限差分法进行了初步验证，具体实施如下图2所示。
步骤3、烧蚀磨损基于动压原理推导出烧蚀磨损基本模型，从而获得厚壁圆筒内壁烧蚀磨损材料退化数学模型；再辅以连发不完全冷却厚壁圆筒传热模型，采用有限差分法求解厚壁圆筒内壁温度分布，从而作为求解厚壁圆筒内壁材料退化速度的已知条件，由此求得烧蚀磨损量，厚壁圆筒内壁烧蚀磨损材料退化数学模型如下式所示：
式中u为烧蚀磨损材料退化速度，q(τ)为厚壁圆筒内壁受热时平均热流密度，ρ为钢密度，L为钢熔化潜热，cp为钢比热，tp为钢材料最低熔点，t0为外部环境温度。
步骤4、更新厚壁圆筒弹丸有限元模型材料动态特性。主要包括弹塑性、热传导、比热等参数的更新。
步骤5、机械磨损基于Archard磨粒磨损理论推导出机械磨损基本模型，推过数学推导的方式获得厚壁圆筒内壁机械磨损材料退化数学模型；再辅以厚壁圆筒推进轴相对运动过过程中厚壁圆筒内壁接触压力修正模型，获得厚壁圆筒内壁接触压力分布，并以此作为已知条件求解厚壁圆筒内壁机械磨损，从而获得机械磨损量，厚壁圆筒内壁机械磨损材料退化数学模型如下式所示：
式中h为机械磨损量，K为钢/紫铜接触对磨损系数，通常取K＝6×10-4，p为厚壁圆筒推进轴接触副接触压力，s为推进轴与厚壁圆筒接触宽度，H为钢的硬度。
步骤6、采用一定的方法将孤立开来的烧蚀磨损和机械磨损退化综合起来，获得更为准确的不同循环次数时期厚壁圆筒内壁各个部位磨损量。
步骤6-1、烧蚀磨损的诱发因素——温度——会致使厚壁圆筒内壁出现热软化甚至热熔化，从而使得厚壁圆筒弹带摩擦副摩擦学状态的改变，由此带来机械运动摩擦系数发生转变，从而对机械磨损产生影响；
步骤6-2、机械磨损的根本来源——机械运动——会致使厚壁圆筒弹带摩擦副摩擦热大量累积，从而使厚壁圆筒内壁温度有所提高，从而对烧蚀磨损产生影响；
步骤6-3、针对烧蚀磨损对于机械磨损的影响，本文通过建立摩擦系数修正模型，准确模拟运动过程厚壁圆筒和推进轴机械运动摩擦系数转变过程；
步骤6-4针对机械磨损对于烧蚀磨损的、影响，本文通过建立摩擦温升模型，准确模拟实际运动过程中厚壁圆筒内壁温度分布。
实施例1：
取某轴筒式装置为研究对象，其结构如图1所示，采用六面体减缩积分单元对厚壁圆筒、推进轴等进行离散化建模。
采用ABAQUS二次开发模块提供的隐式积分算法，基于热位移耦合分析步，引入ABAQUS二次开发FILM子程序模拟厚壁圆筒和高温燃气之间的对流换热过程，获得厚壁圆筒内壁初步的温度分布，然后通过建立摩擦温升模型近似模拟厚壁圆筒推进轴摩擦副摩擦热分配过程来修正厚壁圆筒内壁温度分布，如图3所示，并基于ABAQUS隐式算法中二次开发子程序Umeshmotion，采用节点偏移的方法运用烧蚀磨损材料退化数学模型来更新厚壁圆筒内壁表面每个节点的坐标，从而获得厚壁圆筒内壁表面全局烧蚀磨损量。
采用ABAQUS顺序耦合的方法，首先在Archard磨粒磨损理论的基础上推导出机械磨损材料退化数学模型，在更新后的有限元模型的基础上采用动态分析获得内壁接触压力分布，并基于ABAQUS二次开发子程序Umeshmotion，采用节点偏移的方法运用机械磨损材料退化数学模型来更新厚壁圆筒内壁表面每个节点的坐标，从而获得厚壁圆筒内壁表面全局机械磨损量。
结合图4、图5和图6，厚壁圆筒内壁温度分布和实际轴筒式装置循环发射过程中内壁温度基本一致。
结合图7和图8，厚壁圆筒内壁磨损分布和实际轴筒式装置循环发射内壁磨损基本一致，主要磨损部位一在起始位置，一在出筒口位置。其中起始位置是烧蚀磨损的主要存在部位，磨损量较大，通常900次循环发射击时能达到1.5mm；机械磨损普遍存在于整个内壁，其中厚壁圆筒出筒口位置是机械磨损量较大，通常能达到0.5mm。

Claims (7)

1.一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、进行厚壁圆筒有限元建模；
步骤2、对有限元模型进行动态热位移分析，获得厚壁圆筒内壁机械摩擦生热，并基于ABAQUS二次开发子程序Film进行厚壁圆筒内壁和高温燃气对流换热，然后综合摩擦生热热分配和对流换热对厚壁圆筒进行热传导分析，得到厚壁圆筒内壁全局温度分布；
步骤3、推导烧蚀磨损退化模型，并基于ABAQUS二次开发子程序Umeshmotion，采用烧蚀磨损退化模型获得厚壁圆筒内壁烧蚀磨损量，其中烧蚀磨损退化模型如下式所示；
式中u为烧蚀磨损材料退化速度，q(τ)为厚壁圆筒内壁受热时平均热流密度，ρ为钢密度，L为钢熔化潜热，cp为钢比热，tp为钢材料最低熔点，t0为外部环境温度；
步骤4、更新厚壁圆筒推进轴有限元模型材料动态特性；
步骤5、基于Archard磨粒磨损理论推导机械磨损退化模型，采用顺序耦合的方式，先对有限元模型进行动态显示有限元分析，获得厚壁圆筒内壁接触压力分布，再基于ABAQUS二次开发子程序Umeshmotion，采用机械磨损退化模型获得厚壁圆筒内壁机械磨损量，其中机械磨损退化模型如下式所示；
式中h为机械磨损量，K为炮钢/紫铜接触对磨损系数，通常取K＝6×10-4，p为厚壁圆筒推进轴接触副接触压力，s为弹带与厚壁圆筒接触宽度，H为炮钢的硬度。
步骤6、综合烧蚀磨损退化模型和机械磨损退化模型计算的磨损量，获得不同射弹发数时期厚壁圆筒内壁各个部位磨损量。
2.根据权利要求1所述的厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，其特征在于：步骤1在Hypermesh中建立了厚壁圆筒弹丸有限元模型。
3.根据权利要求1所述的厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，其特征在于：步骤2基于ABAQUS二次开发模块获得了厚壁圆筒摩擦热分配、模拟了厚壁圆筒和高温燃气对流换热，并在此基础上进行了厚壁圆筒不完全冷却热传导分析，获得了厚壁圆筒全局温度分布。
4.根据权利要求1所述的厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，其特征在于：步骤3基于动压润滑以及传热学理论，建立了烧蚀磨损材料退化数学模型，并基于ABAQUS二次开发子程序Umeshmotion，采用节点偏移的方法运用烧蚀磨损材料退化数学模型来更新厚壁圆筒内壁表面每个节点的坐标，从而获得厚壁圆筒内壁表面全局烧蚀磨损量。
5.根据权利要求1所述的厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，其特征在于：步骤4考虑到内壁表面温度随着射弹发数的增高逐渐呈现上升趋势，致使内壁表面材料发生热软化以及热熔化，从而改变其相应的材料动态特性，影响厚壁圆筒弹丸相对运动。
6.根据权利要求1所述的厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，其特征在于：步骤5在Archard磨粒磨损理论的基础上推导出了机械磨损材料退化数学模型，并在更新后的有限元模型的基础上采用动态分析获得内壁接触压力分布，并基于ABAQUS二次开发子程序Umeshmotion，采用节点偏移的方法运用机械磨损材料退化数学模型来更新厚壁圆筒内壁表面每个节点的坐标，从而获得厚壁圆筒内壁表面全局机械磨损量。
7.根据权利要求1所述的厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，其特征在于：步骤6综合烧蚀磨损量和机械磨损量，获得不同射弹发数时期厚壁圆筒内壁各个部位磨损总量。
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