盧玉斌 李 科 滕 驍

(西南科技大學(xué)制造過程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川綿陽 621010)

在許多實(shí)驗(yàn)測(cè)試中滑動(dòng)摩擦是不可忽略的，如在基于分離式霍普金森壓桿(SHPB)進(jìn)行材料的力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，需要考慮SHPB壓桿與試樣端面之間的滑動(dòng)摩擦，否則會(huì)引起測(cè)試結(jié)果的誤差［1－2］。

如今在工程上有多種測(cè)試動(dòng)摩擦系數(shù)的裝置，但這些動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試裝置所能達(dá)到的相對(duì)滑動(dòng)速度大多局限于2.5 mm/s－2.54 m/s。利用這些裝置研究沖擊加載條件下較寬范圍內(nèi)的相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)動(dòng)摩擦系數(shù)的影響卻很困難［3－5］。因此，筆者基于文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了一套動(dòng)摩擦試驗(yàn)裝置，用于測(cè)量相對(duì)滑動(dòng)速度在10 m/s以內(nèi)的動(dòng)摩擦系數(shù)，并且在材料的更換上更加簡單方便。

筆者設(shè)計(jì)的動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示?；瑝K在斜面上滑下，加速度計(jì)安裝在加載重物上，可實(shí)時(shí)記錄滑塊的加速度，由斜面傾角和滑塊加速度可計(jì)算得到動(dòng)摩擦系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)間接測(cè)量不同材料之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)［7］。該實(shí)驗(yàn)裝置具有構(gòu)造簡單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。在該實(shí)驗(yàn)裝置中可以更換材料一和材料二，這樣就可測(cè)試任意2種材料之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。并且該裝置可以調(diào)節(jié)滑板和地面的角度以調(diào)節(jié)2種材料的相對(duì)滑動(dòng)速度，從而可用于測(cè)量相對(duì)滑動(dòng)速度在10 m/s以內(nèi)的動(dòng)摩擦系數(shù)。加速度計(jì)采用KISTLER 8303A1型，其技術(shù)參數(shù)如表1所示?；谠搶?shí)驗(yàn)裝置所測(cè)得的不同材料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)可用于修正SHPB測(cè)試中試樣與壓桿之間滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的影響。

表1 KISTLER 8303A1加速計(jì)的技術(shù)參數(shù)［6］Table 1 The Technical parameters of KISTLER 8303A1 accelerometer［6］

圖1 滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)裝置模型Fig.1 The schematic of kinematic friction set－ up

動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量多種材料之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，更換材料需要花費(fèi)較長時(shí)間，但在數(shù)值模擬中可避免這樣的問題，更改材料屬性即可更換材料，使測(cè)試過程快速高效，得到的加速度數(shù)據(jù)易于處理。本文將采用有限元商業(yè)軟件ABAQUS對(duì)動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性和實(shí)用性進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證［8］。

1 理論分析

動(dòng)摩擦試驗(yàn)的摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化可分成4個(gè)階段［6］。第一階段兩物體形成的是彈性變形階段;第二階段，兩物體接觸形成干摩擦狀態(tài)，此時(shí)的摩擦系數(shù)在所有階段中最大，但還存在一定的邊界潤滑狀態(tài);第三階段，相對(duì)滑動(dòng)速度隨時(shí)間增加，兩物體之間由于高速摩擦發(fā)熱使材料之間形成微熔或者融化狀態(tài)，形成局部流體潤滑，很顯然這樣的熔化是很微觀的，不易被察覺，此時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)將減小，相當(dāng)于熔融物質(zhì)在接觸面之間形成了潤滑作用;隨著時(shí)間的進(jìn)行，進(jìn)入最后一個(gè)階段，此時(shí)處在全面潤滑狀態(tài)并且熔融物質(zhì)被兩個(gè)面磨蝕掉，動(dòng)摩擦系數(shù)稍微增加。歸納起來:滑動(dòng)摩擦系數(shù)剛開始最大，隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加，動(dòng)摩擦系數(shù)快速下降，下降到一定階段后隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加動(dòng)摩擦系數(shù)又緩慢增加，滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化曲線如圖2所示。

圖2 滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨速度變化圖［6］Fig.2 The variation diagam of kinematic friction coefficient versus sliding velocity［6］

由上述滑動(dòng)摩擦的理論模型可看出，在滑塊滑動(dòng)過程中，材料發(fā)生的變形主要是彈性變形，所以在確定試樣材料后，僅需其楊氏模量、泊松比和密度。在工程上主要運(yùn)用鋼、鋁合金、高聚物、混凝土等常用材料。因此，在有限元驗(yàn)證分析中選擇常用材料可很好地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)裝置是否滿足預(yù)期目標(biāo)。材料參數(shù)和滑板坡度如表2所示。

表2 數(shù)值模擬中的材料參數(shù)［9］Table 2 The material parameters in numerical simulations［9］

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

基于有限元商業(yè)軟件ABAQUS/CAE 6.11－1，采用Dynamic/Explicit模塊進(jìn)行分析，分析時(shí)間設(shè)置為1 s?；瑝K與滑板之間定義為surface－to－surface(Explicit)面面接觸。將滑板定義為完全固支。在滑塊上施加不同的加速度載荷進(jìn)行分析。

基于所得到的滑塊在滑板上的切向加速度數(shù)據(jù)a(t)，根據(jù)下式得到動(dòng)摩擦系數(shù)以及相對(duì)滑動(dòng)速度，

其中θ為滑板與水平面之間的夾角，本次分析中采用的是θ=30°或θ=20°;g為重力加速度。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到數(shù)據(jù)圖像，縱坐標(biāo)為相對(duì)值，其中μs為靜摩擦系數(shù)。圖3為模擬具有不同材料參數(shù)的鋁合金在45鋼表面滑動(dòng)所得的動(dòng)靜摩擦系數(shù)比值及相對(duì)滑動(dòng)速度關(guān)系的數(shù)值結(jié)果與理論結(jié)果的對(duì)比。其中理論結(jié)果由文獻(xiàn)［10］基于圖2給出的如下式所示的表達(dá)式描述:

其中P1－P4為式(3)中的常數(shù)。由圖3可知，數(shù)值分析得到的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)吻合，說明該動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)裝置可用于測(cè)量鋁合金和45鋼表面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖3 具有不同參數(shù)的鋁合金材料與45鋼之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)Fig.3 The kinematic friction coefficient between 45 steel and aluminum alloy with various material parameters

同樣地，圖4為具有不同材料屬性的混凝土與45鋼表面動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)的有限元分析數(shù)據(jù)和理論模型的對(duì)比。由圖可知，混凝土材料與45鋼之間的滑動(dòng)摩擦關(guān)系符合滑動(dòng)摩擦理論模型，證明混凝土材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)量可在所設(shè)計(jì)的裝置上進(jìn)行。

最后，圖5為具有不同材料參數(shù)的聚氯乙烯(PVC)在45鋼表面滑動(dòng)ABAQUS有限元分析數(shù)據(jù)和理論模型之間的對(duì)比。由圖可知，PVC材料在45鋼表面滑動(dòng)的動(dòng)摩擦系數(shù)和理論模型十分吻合，說明所設(shè)計(jì)的滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)裝置能很好地測(cè)試PVC為代表的聚合物材料在45鋼表面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化關(guān)系。

圖4 具有不同參數(shù)的混凝土材料與45鋼之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)Fig.4 The kinematic friction coefficient between 45 steel and concrete with various material parameters

3 結(jié)論

圖5 具有不同參數(shù)的PVC材料與45鋼之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)Fig.5 The kinematic friction coefficient between 45 steel and PVC with various material parameters

以往大多動(dòng)摩擦試驗(yàn)測(cè)試裝置所能達(dá)到的相對(duì)滑動(dòng)速度僅局限于 2.5 mm/s～2.54 m/s。然而，利用這些裝置獲得一個(gè)較寬范圍內(nèi)的相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)動(dòng)摩擦系數(shù)的影響關(guān)系卻很困難?；诠P者設(shè)計(jì)的新型動(dòng)摩擦試驗(yàn)裝置，可測(cè)量相對(duì)滑動(dòng)速度在10 m/s以內(nèi)的動(dòng)摩擦系數(shù)。本文通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)常見的3種材料(鋁合金、混凝土、PVC)取不同參數(shù)條件下在45鋼表面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)的模擬結(jié)果能很好地符合理論模型。說明3種材料所代表的金屬材料、地質(zhì)材料和高聚物材料在45鋼表面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化關(guān)系與理論模型吻合，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性和實(shí)用性。

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