Modelowanie ścierania w Abaqus

Ścieranie powierzchni wynikające z interakcji mechanicznych jest istotnym zjawiskiem w analizie kontaktu między elementami w wielu inżynierskich aplikacjach. Abaqus oferuje zaawansowane narzędzia do modelowania tego procesu, wykorzystując różne warianty modelu zużycia opartego na równaniu Archarda.

Równanie ścierania Archarda to dobrze znany od lat 50-tych model wykorzystywany do opisu zużycia ślizgowego, oparty na teorii kontaktu mikroskopijnych nierówności powierzchni. Zgodnie z tym modelem, ilość zużytego materiału jest proporcjonalna do nacisku kontaktowego, przemieszczenia poślizgowego oraz współczynnika zużycia, który zależy od właściwości materiału. Model Archarda przyjmuje, że zużycie zachodzi głównie na poziomie mikroskopijnych kontaktów, gdzie siły tarcia powodują lokalne uszkodzenia i stopniową utratę materiału. Model ten jest powrzechnie stosowany w analizach inżynierskich, ponieważ pozwala na przewidywanie erozji powierzchni w wielu różnych warunkach kontaktowych.

Ścieranie powierzchni a modelowanie w Abaqus

Ścieranie to proces mikroskopowej erozji powierzchni wynikający z mechanicznej interakcji, podczas której może dojść do utraty materiału. W Abaqus zjawisko to jest modelowane w sposób fenomenologiczny, co oznacza, że procesy zachodzące na poziomie mikroskopowym są uproszczone do opisu zmian na poziomie makroskopowym. Ścieranie jest zazwyczaj związane z różnymi mechanizmami, takimi jak abrazja i fretting, które mogą być przewidywane dzięki modelom Archarda.

Model ścierania opiera się na współczynniku zużycia, który charakteryzuje prędkość erozji powierzchni w zależności od lokalnych warunków kontaktowych. Ważne elementy tego procesu to współczynnik tarcia, nacisk kontaktowy oraz szybkość poślizgu. Abaqus wspiera modelowanie ścierania zarówno w ramach ogólnego kontaktu, jak i dla par kontaktowych w wersji Abaqus/Standard, jak i Abaqus/Explicit.

Rola modelu Archarda w modelowaniu ścierania

Abaqus oferuje kilka wersji równania Archarda, które mogą być dostosowane do różnych warunków kontaktowych i danych eksperymentalnych. Podstawowa wersja równania określa, że szybkość ścierania w danym miejscu jest proporcjonalna do współczynnika zużycia, nacisku kontaktowego, współczynnik tarcia, prędkości poślizgu i twardość materiału.

W niektórych przypadkach, zamiast nacisku kontaktowego, uwzględnia się energię tarcia, co pozwala dokładniej modelować procesy zużycia w bardziej skomplikowanych scenariuszach.

Zastosowanie adaptacyjnego siatkowania ALE

W modelowaniu ścierania, szczególnie w kontekście znacznych deformacji powierzchni, może być stosowane adaptacyjne siatkowanie ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian). Technika ta pozwala na uwzględnienie zmian geometrii elementów wynikających z akumulowanego zużycia oraz umożliwia utrzymanie wysokiej jakości siatki podczas symulacji. W przypadku braku ALE, ścieranie jest modelowane poprzez offsety w węzłach, które modyfikują odległości penetracji kontaktu, co wpływa na kalkulacje naprężeń kontaktowych.

Wprowadzanie i przypisywanie własności ścierania

W Abaqus użytkownik może definiować specjalne właściwości ścierania przypisane do konkretnych powierzchni kontaktowych. Dla par kontaktowych oraz kontaktu ogólnego możliwe jest przypisanie zróżnicowanych właściwości zużycia dla każdej z powierzchni, co pozwala na modelowanie bardziej złożonych zjawisk, takich jak zużycie warstwy ochronnej na materiale. Definiowanie danych dotyczących ścierania realizowane jest za pomocą słowa kluczowego:

Po zdefiniowaniu właściwości, współczynnik zużycia, należy przypisać je do odpowiednich powierzchni kontaktowych za pomocą słów kluczowych *SURFACE PROPERTY i *SURFACE. W przypadku dużej ilości powierzchni kontaktowych można elastycznie definiować różne zestawy parametrów dla każdej z nich.

Zastosowania i wyniki

Modelowanie ścierania znajduje zastosowanie w wielu branżach, takich jak motoryzacja, lotnictwo czy energetyka, gdzie kontakt mechaniczny między ruchomymi elementami prowadzi do zużycia materiałów. Przykładem może być analiza zużycia przekładni, gdzie model Archarda pozwala przewidzieć zmiany geometrii zębów w wyniku ścierania.

Wyniki symulacji mogą być zapisywane jako pole lub historia wyników, co pozwala na szczegółową analizę procesu zużycia. W szczególności zmienne wynikowe takie jak CWEAR dostarczają informacji o akumulowanym zużyciu w węzłach kontaktowych, co może być kluczowe dla predykcji żywotności komponentów.

Podsumowanie

Abaqus oferuje rozbudowane możliwości modelowania ścierania powierzchni, które bazują na modelu Archarda i mogą być dostosowane do różnorodnych warunków kontaktowych. Użycie adaptacyjnego siatkowania ALE dodatkowo umożliwia dokładne odwzorowanie zmian geometrii w wyniku zużycia. Dzięki tym narzędziom inżynierowie mogą przeprowadzać dokładne analizy procesów erozji i optymalizować projekty pod kątem minimalizacji ścierania.

Chcesz dowiedzieć się więcej na temat modelowania kontaktu i ścierania w Abaqus - skontaktuj się z TECHNIA Poland.