針對(duì)菱形顆粒的沖蝕磨損過程建立了基于拉格朗日法的耦合數(shù)值計(jì)算模型,通過模型分析了不同沖擊速度v_i、沖擊角α_i和方位角θ_i下菱形顆粒沖擊延性材料的運(yùn)動(dòng)學(xué)行為和凹坑輪廓形態(tài)。結(jié)果表明:沖擊角和方位角是決定顆粒旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素,但會(huì)受沖擊速度的影響發(fā)生變化。沖擊速度對(duì)前旋顆粒的旋轉(zhuǎn)方向和運(yùn)動(dòng)行為影響較小,產(chǎn)生的凹坑輪廓基本不變;對(duì)"后旋"顆粒的運(yùn)動(dòng)行為影響較大,存在某一切削速度范圍55～100 m/s,當(dāng)v_i在該范圍內(nèi)時(shí),延性材料表面發(fā)生切屑分離,當(dāng)v_i小于或大于該范圍,均無切屑分離現(xiàn)象發(fā)生,只發(fā)生材料堆積,但形成材料堆積的原因不同,沖擊速度小時(shí)初始動(dòng)能低,不足以將材料切斷剔除,被"挖掘"的材料堆積在凹坑表面;沖擊速度大時(shí)顆粒法向嵌入深,顆粒出現(xiàn)"挖掘"和"微切削"的綜合作用,在"微切削"的作用下產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)切屑堆積在凹坑前面。低沖擊角和大方位角的臨界沖擊在不同沖擊速度下產(chǎn)生的顆粒運(yùn)動(dòng)行為和凹坑輪廓與"后旋"沖擊產(chǎn)生的規(guī)律一致,高沖擊角和小方位角的臨界沖擊在不同沖擊速度下產(chǎn)生的顆粒運(yùn)動(dòng)行為... 

【文章來源】：振動(dòng)與沖擊. 2019,38(20)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

顆粒特征參數(shù)的定義Fig．1Particlewithitscharacteristicparameters

寤骱蠓⑸?牧?大變形的區(qū)域被離散成無網(wǎng)格粒子，剩余區(qū)域以及菱形顆粒仍然離散成有限元網(wǎng)格單元。SPH模塊和FE模塊是通過ABAQUS中tie約束命令耦合在一起。顆粒與金屬表面通過罰定義接觸，為提高仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度，金屬表面動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)為0．1，模型底部完全約束，側(cè)面設(shè)置關(guān)于X-Z平面和Y-Z平面的對(duì)稱約束，沖擊顆粒約束為剛體，被沖擊金屬材料為OFHCcopper，材料參數(shù)，如表1所示。2材料模型2．1狀態(tài)方程(EOS)固體顆粒沖蝕金屬材料是一個(gè)瞬時(shí)大變形過程，圖2FEM-SPH耦合模型Fig．2CoupledofFEM-SPH表1OFHCcopper的材料參數(shù)Tab．1MaterialpropertiesofOFHCcopper材料屬性符號(hào)數(shù)值密度/(kg·m－3)ρ08960剪切模量/GPaG47．7泊松比υ0．34熔融溫度/KTm1356參考溫度/KTr294比熱/(J·(kgK))CP383J-C初始屈服應(yīng)力A90MPaJ-C應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)B292MPaJ-C硬化指數(shù)n0．31J-C應(yīng)變率強(qiáng)化系數(shù)C0．025J-C熱軟化指數(shù)m1．09顆粒沖擊瞬間的動(dòng)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料本身的屈服極限，狀態(tài)方程(ESO)通過定義靜壓、密度和比能之間的關(guān)系，可完整描述被沖擊材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程［21］。沖擊狀態(tài)方程是用于描述固體碰撞的數(shù)學(xué)方程，需通過動(dòng)載實(shí)驗(yàn)測(cè)出顆粒速度(Up)和沖擊速度(Us)。對(duì)于大多數(shù)固體和流體而言，在一定壓力范圍內(nèi)，顆粒速度(Up)和沖擊速度(Us)呈線性關(guān)系，但在高速?zèng)_擊條件下，顆粒速度(Up)和沖擊速度(Us)的關(guān)系表現(xiàn)為非線性，對(duì)非金屬材料尤為明顯。ABAQUS中嵌入了Mie-Gruneisen狀態(tài)方程，通過輸入OFHCcopper材料的Mie-Gruneisen

圖3展示了case1、2、8顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖片取自文獻(xiàn)［9］，由高速攝像機(jī)抓拍獲得，仿真結(jié)果取自本文FEM-SPH耦合模型。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可以看出，該耦合模型能夠很好地捕捉?jīng)_蝕磨損過程菱形顆粒的運(yùn)動(dòng)行為，3種工況下顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高，并能夠重現(xiàn)沖蝕磨損過程中顆粒的前旋旋轉(zhuǎn)和后旋旋轉(zhuǎn)行為。圖3模型驗(yàn)證Fig．3Modelvalidation沖蝕磨損過程顆粒角速度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示，其中case1、6、10為后旋旋轉(zhuǎn)，case2為前旋旋轉(zhuǎn)，case8為后旋向前旋轉(zhuǎn)變(注:轉(zhuǎn)變只能從后旋向前旋轉(zhuǎn)變)。圖5展示了case2和case6中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的凹坑輪廓與仿真獲得的凹坑輪廓對(duì)比，通過對(duì)比可以看出仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果一致，證明了該耦合模型的準(zhǔn)確性。圖4FEM-SPH模型中顆粒角速度與時(shí)間的關(guān)系Fig．4TimehistoryofangularvelocitiesoftheparticlesinFEM-SPHmodel3．2沖擊速度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)行為的影響研究表明，顆粒的沖擊角和方位角是決定顆粒旋向的主要因素，但會(huì)受沖擊速度的影響發(fā)生輕微改變。沖擊速度對(duì)不同旋向顆粒的運(yùn)動(dòng)行為影響程度不同。圖6－8展示了前旋旋轉(zhuǎn)(αi=60°θi=20°，αi=50°θi=20°和αi=40°θi=20°)的顆粒在不同沖擊速度下產(chǎn)生圖5實(shí)驗(yàn)和仿真預(yù)測(cè)的case2和case6的凹坑輪廓Fig．5ExperimentandFEM-SPHpredictedcraterforcase2andcase6的運(yùn)動(dòng)行為以及反彈角速度的變化情況，由圖6～8可知，沖擊速度對(duì)前旋顆粒的運(yùn)動(dòng)行為和旋轉(zhuǎn)方向影響較小，顆粒沖擊后的旋轉(zhuǎn)方向不變，旋轉(zhuǎn)角速度變化規(guī)律一致，符合前旋顆粒沖蝕磨損速率


本文編號(hào)：3550864