微动疲劳接触区域剪应力分析

　　微动疲劳这是指构件在循环载荷的作用下,由于表面某一部位与表面其它接触表面产生小振幅相对滑动(即微动)而导致构件微动疲劳损伤。微动作用促进接触表面磨损失效、微裂纹形成和早期扩展,加速构件的疲劳断裂。

　　微动疲劳是航空、航天、交通、核工业设施和人体植入关节材料等的重要失效形式之一,也是造成机械结构中一些关键零部件失效的主要原因。然而在微动疲劳过程中接触区域应力的分布因表面磨损作用而复杂化,致使涉及磨损作用的微动接触应力的解析分析变得较为困难。文章以圆柱垫与平面相接触的微动模型为研究对象,通过ANSYS对该模型进行不同载荷条件下的有限元分析,从而得到接触区域剪应力分布情况,最后拟合出该微动模型接触区域剪应力分布公式。

　　1 有限元计算

　　本论文以圆柱垫与平面相接触的微动疲劳模型为研究对象,其简化模型如图1所示。微动垫和试件材料都为Ti-6Al-4V,弹性模量E=126GPa,屈服强度σ=930MPa,泊松比ν=0. 3。

　　由于该问题属于平面应变问题,模型采用plane82单元,对于面-面接触问题,试件为目标面采用Targe169单元,圆柱垫为接触面采用Conta172单元来形成2D接触对。由于接触区域应力应变十分复杂,在接触区域对网格进行细化,网格尺寸为10Lm,为了计算方便,在越远离接触区域的地方网格越粗糙。由于此模型只取了原微动疲劳模型的一半,故在试件的左端施加X方向的对称约束,试件的下端施加Y方向的对称约束,在圆柱垫上端施加向下的垂直压力,试件的右端施加轴向载荷。其有限元模型如图2所示。

　　图2 半径100mm圆柱微动垫有限元模型为了研究在不同的载荷条件下接触区域剪应力的分布情况,本文在垂直压力为1. 5、2. 0和215kN条件下,分别计算出轴向载荷为200、300、400、500和600MPa时接触区域剪应力的分布状态。计算结果如图3、图4和图5所示。

　　2 计算结果分析

　　由剪应力分布曲线得知,在粘着接触区域剪应力分布曲线形状相似,且在粘/滑交界处存在剪应力突变,裂纹可能在此萌生。随着轴向载荷的增大,粘着接触区域上的剪应力相应的变大,故裂纹更容易萌生与早期扩展。同时粘着区域的宽度随轴向载荷的增大而变小,裂纹的可能萌生位置向试件的中心移动。粘着接触区域外的剪应力基本相同,不受轴向载荷的影响。

　　为了得到粘着接触区域上剪应力的分布公式,根据以上有限元计算结果进行曲线拟合。首先在垂直压力为1. 5kN条件下,分别对轴向载荷为200、300、400、500和600MPa时剪应力的分布曲线进行自定义公式拟合,其拟合公式分别为: