基于ABAQUS的AlN绝缘涂层磨损机理仿真研究.pdf
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1、窑 开发与创新 窑0引言近年来袁随着变频驱动技术的发展袁变频调速感应电机在机械工业领域的应用更加广泛袁 轴承作为电机的关键零部件袁其可靠性直接影响电机的服役寿命袁而电蚀失效是此类电机轴承的主要失效方式1袁严重制约了电机的发展遥 目前袁采用绝缘轴承是解决该类问题的最佳方法袁绝缘轴承可有效阻断轴电流袁 提高电机的可靠性并延长其服役寿命2遥 然而袁传统绝缘轴承采用的氧化铝涂层材料存在热导率低和针孔结构缺陷袁会降低涂层绝缘性能遥氮化铝具有硬度高绝缘性能好等特点袁 被广泛应用于电子器件绝缘层袁 使用氮化铝材料替代氧化铝可有效改善轴承散热条件并加强绝缘性能遥绝缘轴承在运输和安装的过程中易受到外界机械载荷的
2、作用而使绝缘涂层产生裂纹损伤袁 在极化作用下涂层中的电荷会在缺陷处聚集袁导致缺陷处电压升高袁易造成局部击穿3曰绝缘轴承在运行过程中受到滚动体的周期性冲击与磨损袁 从而导致绝缘轴承的绝缘性能以及机械稳定性下降袁综上考虑袁有必要对氮化铝涂层材料的摩擦磨损性能磨损进行研究遥随着计算机科学的发展袁 学者们开始尝试借助仿真分析软件对机械零部件之间的磨损行为进行数值模拟分析遥 Bortoleto 等4采用增强拉格朗日-欧拉渊ALE冤与 Ar鄄chard 磨损模型结合的方法袁 分析了在销-盘式摩擦试验中袁销的干摩擦滑动磨损遥 Rezaei 等5采用二维应变有限元Simulation Research on
3、Wear Mechanism of AlN Insulating Coating Based on ABAQUSWANG He1袁2袁3袁 JIN Yi-Fan1袁 WANG Yan-Xiang1袁 WEN Kai-Xiang1袁 YAN Guang-Yu1袁2袁3渊1.School of Mechanical Engineering袁Shenyang Jianzhu University袁Shenyang Liaoning 110168袁China曰2.Joint international Research Laboratory of Modern Construction Enginee
4、ring Equipment and Technology袁Shenyang Liaoning 110168袁China曰3.National-LocalJointEngineeringLaboratoryofNCMachiningEquipmentandTechnologyofHigh-GradeStone袁ShenyangLiaoning 110168袁China冤Abstract院 Aluminum nitride is widely used for insulating coatings due to its excellent insulating properties and h
5、igh hardness.However袁 thereare fewer studies on the frictional wear of aluminum nitride coatings袁 and the wear removal mechanism is still unclear.In this paper袁 Aluminumnitride coating wear model was constructed based on ABAQUS finite element software using Archard wear model and JH-2 ceramic damage
6、model袁 and the wear mechanism of aluminum nitride material was investigated.The results show that the load and the skidding distance are themain factors affecting the wear袁 and the wear of the aluminum nitride material increases with both.According to the stress variation of thematerial袁 it is class
7、ified into completely broken type袁 partially broken type and elastic deformation type袁 and the experimental data combinedwith the stress analysis of the three types of materials together reveal the wear mechanism of aluminum nitride material.Keywords院 AlN曰 Wear mechanism曰 Simulation基于 ABAQUS 的 AlN 绝
8、缘涂层磨损机理仿真研究王 贺1袁2袁3袁靳一帆1袁王延祥1袁温凯翔1袁闫广宇1袁2袁3渊1.沈阳建筑大学 机械工程学院袁 辽宁 沈阳 110168曰 2.现代建筑工程装备与技术国际合作联合实验室袁 辽宁 沈阳 110168曰3.高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室袁 辽宁 沈阳 110168冤摘要院 氮化铝由于其优异的绝缘性和高硬度袁 被广泛用于绝缘涂层袁 有关氮化铝涂层的摩擦磨损研究较少袁 磨损去除机理尚不明确遥 本文基于 ABAQUS 有限元软件袁 采用 Archard 磨损模型和 JH-2 陶瓷损伤模型搭建了氮化铝涂层磨损模型袁 对氮化铝材料的磨损机理进行了研究遥 结果表明载
9、荷与滑行距离是影响磨损的主要因素袁 氮化铝材料的磨损量随两者的增加而增加遥 根据材料的应力曲线变化将其分为完全破碎型尧 部分破碎型和弹性变形型袁 结合实验数据与三种类型材料的应力分析共同揭示了氮化铝材料的磨损机理遥关键词院 氮化铝曰 磨损机理曰 仿真中图分类号院 TP39文献标识码院 粤doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2023.04.009机电产品开发与创新阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 驭 陨灶灶燥增葬贼蚤燥灶 燥枣 M葬糟澡蚤灶藻则赠 驭 E造藻糟贼则蚤糟葬造 P则燥凿怎糟贼泽灾燥造援36熏晕燥援4Jul援熏圆园23第 36 卷第 4 期圆园23 年 7 月文章编号院 员
10、园园圆原远远苑猿 渊圆园23冤 园4原034原园5修稿日期院圆园23原02原18作者简介院王贺(1981-冤袁男袁副教授袁硕士生导师遥 研究方向院薄膜制备袁陶瓷材料精密加工袁掘进机刀具系统遥34窑 开发与创新 窑模型和 Archard 磨损模型袁 分析了轴承径向滑动的磨损遥张志宏等6采用 Archard 磨损模型袁分析了枪管涂层的磨损量和磨损状态的分布遥 李静等7基于 Archard 磨损模型开发了用于自润滑轴承磨损子程序袁 分析了自润滑轴承在运行过程中衬套的长时间磨损情况遥周旭等8基于轴承力学分析模型和 Archard 磨损模型袁分析了轴承的磨损特性并提出了一种用于轴承磨损寿命的分析方法遥
11、B.Sub鄄ramanian 等9采用直流反应磁控溅射法在低碳钢上制备了氮化铝涂层袁 通过环块法摩擦磨损实验分析了涂层的摩擦磨损性能遥 Lin 等10采用非平衡磁控溅射法制备了CrN/AlN 超晶格涂层袁通过球盘式摩擦磨损实验测试了涂层的耐磨性能袁分析了分子层周期与涂层性能的关系遥本文采用 Archard 磨损模型与 Johnson-Holmquist 陶瓷损伤模型袁 基于 ABAQUS 构建了有限元模型来模拟氮化铝涂层的摩擦磨损遥 通过摩擦磨损实验数据对模型进行修正袁 结合仿真与实验结果分析了氮化铝涂层的磨损去除机理袁对以后的研究和生产应用具有重要意义袁对绝缘轴承技术的发展具有促进作用遥1有
12、限元模型1.1 几何模型为了保证有限元分析的计算效率袁 对实验进行了适当的简化袁为了便于模型的建立袁将滚动摩擦简化为滑动摩擦袁见图 1袁为了减少运算时间袁利用 ABAQUS 软件仅建立了滚动体的 1/8 和涂层材料基体遥 滚动体材料为Gcr15 轴承钢袁 直径为 3 mm遥 氮化铝材料尺寸 20mm伊20mm伊2mm遥 按照摩擦磨损试验台的实际装配情况袁基体完全固定袁滚动体只保留摩擦方向的自由度遥 载荷垂直于基体袁滚动体与基体两者建立面面接触袁法向接触设置为硬接触袁 切向接触设置为定摩擦系数遥 根据实验测试结果袁滚动体与涂层基体之间的摩擦系数取平均值 0.3遥1.2 ABAQUS/Standa
13、rd 中的 Archard 磨损模型Archard 磨损模型是使用最为广泛的一种磨损模型袁多用于预测每个节点的材料去除率8袁其通用形式院V=kFHs渊1冤式中:V要磨损过程中去除材料的体积曰s要滑行距离曰F要法向载荷曰K要无量纲磨损系数曰H要磨损材料的硬度遥 对公式进行推导和变形可得到院hi+1=hi+kD窑 pi窑 ds渊2冤式中院hi+1要进行到渊i+1冤次增量步时的总磨损量曰pi要第 i次增量步时的接触压力曰kD为无量纲磨损系数曰hi要第 i次增量步的磨损深度遥在有限元仿真计算当中袁为了实现摩擦块磨损行为的求解袁 可以通过调用 UMESHMOTION子程序袁利用 Archard 磨损模型
14、求得摩擦块的磨损量遥1.3 ABAQUS/Explicit 中的 JH-2 磨损模型Johnson-Holmquist渊JH-2冤 模型是一种弹塑性损伤材料模型袁 常用于描述大应变率和高压下的玻璃和陶瓷等脆性材料袁该模型能够捕捉脆性材料的去除机制11袁氮化铝材料的 JH-2 模型相关常数袁见表 1遥在 ABAQUS 中编译 inp 文件可构建 JH-2 陶瓷损伤模型袁见图 2袁在装配时输入由 Archard 模型计算的磨损深度 a遥 为模拟涂层材料的破损需在单元设置中勾选单元删除袁载荷施加方向为摩擦力方向袁为滚动体施加在摩擦方向的线速度遥 采用动力显式分析对磨损过程进行求解遥2结果和讨论2.1
15、 磨损深度图 3 为法向载荷 3N 且滑行距离 200mm 时氮化铝基板自适应面上的磨损量袁Y 轴为磨损深度袁X 轴为节点编号遥 可得最大磨损量发生在节点 79744袁 磨损深度为6.90伊10-9mm遥最小磨损量发生在 62494 号节点袁磨损深度为 2.60伊10-9mm袁平均磨损深度为 4.65伊10-9mm遥图 4 为载荷 6N 且滑行距离 200mm 时氮化铝基板的磨损情况袁最大磨损深度出现在 65254 号节点袁磨损深度为 1.32伊10-8mm遥 最小磨损深度出现在 72154 号节点袁磨损深度为 4.09伊10-9mm遥 平均磨损深度为9.22伊10-9mm遥图1氮化铝摩擦磨损
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