基于ANSYS的粗糙表面高温接触摩擦热力耦合分析

【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。