新型船用钢板与Al2O3球的摩擦磨损性能测试与模拟

王东胜 王士月 楼雪莹 沈树阳 常雪婷 孙士斌 尹衍升

摘要：为研究新型船用钢板的摩擦磨损性能，用UMT-3 TriboLab摩擦磨损试验机测试这种钢板在不同环境温度下的摩擦因数（载荷为50 N、往复速度50 mm/s），用白光干涉仪测量试样磨痕截面轮廓线，用ABAQUS对Al2O3球与这种钢板组成的摩擦副建模。将测量得到的相关参数输入到计算模型中，采用区域网格划分方法对接触变形过程进行模拟，得到接触区域的应力、应变和塑性变形。结果表明：在球与钢板接触初期，在同等载荷情况下，钢板的磨损量随温度的降低而增加;摩擦磨损过程中的温升、过渡层和磨屑对摩擦磨损行为有一定的影响;采用区域网格划分方法可以有效计算钢板的理论应变和磨痕截面轮廓线;由于摩擦磨损过程中温升、磨屑等因素的存在，基于赫兹接触理论的有限元模拟结果与实际磨损结果有一定的误差，试验环境温度越低，该误差就越小。

关键词：船用钢板; 磨损; 有限元; ABAQUS

中图分类号：  U661.4;TB115.1

文献标志码：  A

Abstract：To investigate the friction and wear performance of new marine steel plate， UMT-3 TriboLab friction and wear tester is used to test friction factors of the steel plate at different environment temperatures （the load of 50 N and the reciprocating speed of 50 mm/s）， the white light interferometer is used to measure the cross section profile of the wear scar， and ABAQUS is used to model the friction pair composed of Al2O3 ball and the steel plate. The measured parameters are put into the calculation model. The contact deformation process is simulated to get the stress， strain and plastic deformation of the contact area， where the method of regional mesh division is adopted. Results show that： at the initial stage of contact between the ball and the steel plate under the same load， the wear volume of the steel plate increases with the decrease of temperature; the temperature rise， the transition layer and the wear debris in the process of friction and wear have some effects on friction and wear behavior; because of the regional mesh division method， the theoretical strain of the steel plate and the cross section profile curve of the wear scar can be calculated effectively; due to the existence of temperature rise， wear debris and other factors in friction and wear process， the finite element simulation results based on Hertz contact theory have some errors compared with the actual wear results， and the lower the temperature of test environment， the smaller the error caused by the above factors.

Key words：marine steel plate; wear; finite element; ABAQUS

0 引 言

隨着全球气候变暖，极地的海冰覆盖区域逐渐减小，这对极地航道的开发起到积极的作用。极地蕴含有丰富的矿产和渔业资源。近年来，随着我国综合国力的提高和各种技术的不断进步，对极地的勘探和科学研究逐渐成为关注热点[1-2]。这些行为的开展都离不开能够在寒区和冰面覆盖区域航行的专业船舶，因此极地破冰船技术的发展成为进行极地考察、极地资源开发、极地运输的核心要素。

极地船舶在极地的最低服役温度达到-70 ℃，平均工作环境温度为-20 ℃。极地船舶也会在全球海域航行，在航行过程中船体钢板在重力和海水浮力的共同作用下会受到各种应力作用，还会因水面和水下温差发生体积变化从而产生巨大的结构应力[3];当船舶在冰区航行时，冰层的连续撞击和摩擦会使船用钢板产生疲劳和塑性变形，同时由于船上机器的振动，船上安装的各种设备会对船用钢板产生摩擦，导致零件或钢板磨损失效。目前国内相关机构侧重于对破冰船的船体型线、破冰方法对破冰性能的影响进行相关研究[4-6]，但对破冰船用钢板在不同冲击载荷下的摩擦磨损性能、腐蚀性能的研究较少。

长期以来，材料的摩擦磨损性能受到了广泛的关注，为分析金属材料的摩擦磨损机制，相关学者[7-11]先后通过搭建不同的试验环境对316L不锈钢、AISI321钢、GCr15钢、Ti6Al4V合金及Ti-20Zr-6.5Al-4V合金进行了不同方面的摩擦学性能测试，研究载荷、速度、组织、介质、环境等因素对材料的摩擦磨损性能的影响。这些测试需要依赖大量的辅助设备，同时也需要耗费一定的人力和物力，甚至一些试验条件在实验室内无法得到满足，这给研究工作带来了巨大的挑战。随着摩擦学理论的不断发展，通过试验得到的各种理论计算模型得以建立，并且计算机强大的计算能力和有限元分析软件的开发应用更加有利于通过数学建模的方式来计算、推导、验证材料的摩擦学行为，这方面的研究见文献[12-16]。然而，在船用钢板在低温条件下的摩擦磨损机制的研究上，国内外只有少量的文献[17-21]进行了部分试验和模拟，其中对低温和应力共同作用下的研究则更少。

鉴于目前国内市场上还没有适合破冰船使用的专用钢板，本项目组和宝山钢铁股份有限公司联合研发了一种专门用于极地破冰船的新型船用钢板并进行了相关研究[22-23]。为了测试新型船用钢板的摩擦磨损性能，鉴于尚没有关于新型船用钢板的摩擦性能的研究数据，本文尝试采用试验与ABAQUS结合的方法研究该钢板在低温环境下的摩擦学行为。通过试验获取材料的关键摩擦性能参数，然后利用ABAQUS建立数学模型，并将计算结果与实际摩擦磨损结果进行对比，以验证有限元模型的可靠性，从而为极地破冰船的摩擦学行为研究提供新的方法和补充。

1 摩擦磨损试验

1.1 摩擦磨损材料制备及参数选择

当球与钢板发生接触时，由于球和钢板表面无法实现完全理想化的平整，这会使球与钢板的接触面积减少，进而导致两者之间的接触应力增加。材料的摩擦磨损过程受到多种因素的影响，如磨粒、温升、过渡层、介质、环境温度等[29-31];有限元分析结果与建模类型、网格划分、算法使用、接触方式定义、模拟时间参数等密切相关。为建立新型船用钢板摩擦行为的数学模型，尽量保证试验数据的准确性和避免不必要的干扰因素，并减少计算时间，共进行3组摩擦磨损试验，每组3个平行样在有限元模型中设定球的法向载荷为50 N，往复试验时间为2 s，环境温度分别为（20±2）℃、（0±2）℃和（-20±2）℃，相对湿度为（30±5）%。在摩擦磨损试验中，环境温度通过专门的低温环境腔及其控温系统实现，采用布鲁克Contour GT-I型白光干涉仪观察试件摩擦前表面形貌、摩擦后磨痕形貌和摩擦断面曲线。

1.2 船用钢板的摩擦磨损试验

根据试验传感器实时记录的试样所承受的纵向压力Fz和切向力Fx，绘制出摩擦因数随时间变化的曲线（见图3a）。由于钢板的初始状态为抛光状态，表面粗糙度较低，球与钢板的接触状态与理想的赫兹应力接触状态较为接近，两者之间的摩擦因数较小（普遍低于0.1）;随着往复摩擦试验的进行，摩擦因数不断增加。当环境温度为0 ℃和20 ℃时，钢板的摩擦因数随着摩擦行为的进行逐渐增加;当环境温度为-20 ℃时，摩擦因数先增加后降低，这是由于低温状态下材料表面温升较慢，黏附磨损出现的概率减小。为使模型输入变量尽可能贴合实际试验数据，对图3a的摩擦因数曲线进行分区域均值处理，分区域周期为0.1 s，即将试验时间以0.1 s为单位划分为20个区间，每个区间的摩擦因数均用该区间时段的平均摩擦因数代替，处理结果见图3b。将经过均值处理的摩擦因数输入ABAQUS有限元计算模型中。

2 船用钢板的摩擦磨损模拟

2.1 模型建立

2.1.1 实体建模

试验中Al2O3球与船用钢板组成摩擦副，在用ABAQUS建模时，由于摩擦行为只发生在球体的下侧，可以只建立半球体的模型，然后通过装配功能将半球体和船用钢板模型结合到统一的界面中，再通过建立“kinematic contact”摩擦接触关系将两者联系，从而建立球-板往复摩擦副接触模型。在球面与试样钢板间分配如图3b所示的摩擦因数，以尽可能地体现实际接触过程中摩擦因数的变化情况;在约束定义中，为模拟球体的往复摩擦情况，以半球体球心作为参考点将试样钢板底面设置为全自由度约束，建立参考点与半球体球面的耦合关系;在半球体上施加纵向载荷，定义滑动方向、位移和往复频率，同时将半球体其他方向的速度自由度完全约束，这样即可实现如图6所示的往复摩擦运动。

2.1.2 网格划分

为建立明确的分界线以生成合理均匀的网格，在网格划分前需要先对模型进行区域划分。在接触模型中，Al2O3陶瓷球的材料为高强度材料，硬度高，几乎没有塑性变形，可以将其视为完全刚性体。由于四面体网格生成法在计算效率、可靠性和几何通用性上具有较大优势，因此对半球体采用四面体网格生成法。根据半球体的曲面轴对称特点，将半球体分割成8个大小一致的四面体。相对于四面体网格，六面体网格在数值计算上具有精度更高、网格划分数量更少等优势。为更加精细地模拟钢板的变形和受力情况，对钢板采用六面体网格生成法。

网格（尤其是与接触区域相邻的网格）划分的密度对模拟结果有重要的影响，相对较小的网格单元可以更好地反映材料的应力应变情况。对硬度较大的半球体，选择的网格尺寸从对磨区域中心的35 μm逐渐向外围扩大至2 mm;钢板的网格尺寸从对磨区域中心的54 μm×72 μm×83 μm逐渐向外围扩大至约263 μm×458 μm×478 μm，网格划分结果见图7。通过这种网格划分方法，可以得到模拟时长与模拟结果準确度之间的较好的平衡。

将通过有限元模拟得到的钢板在往复摩擦2 s时的接触应力曲线与通过理论计算得到的接触应力曲线进行比较（见图10）可知，模拟值与理论值的偏差率在-20 ℃、0 ℃、20 ℃时分别为7%、6%和13%。

从不同摩擦循环次数后钢板的磨痕截面轮廓线（见图11）可以发现，去除球与钢板最初接触的塑性影响因素后，钢板的磨损情况随摩擦循环次数的增加逐渐加重，这与摩擦试验的结果是一致的。当环境温度为20 ℃时钢板的磨损较轻（图11a），而当环境温度为-20 ℃时钢板的磨损最严重（图11c），这是低温环境下材料脆性提高造成的。由图12可以发现，在环境温度为20 ℃、0 ℃、-20 ℃时，磨痕截面轮廓线的峰值的模拟值与试验值误差分别为18%、13%和3%，即随着温度的降低，模拟结果与实际磨损结果越来越接近。这是由于在摩擦力的作用下，球与钢板接触时会产生摩擦升温、过渡层和磨屑，这都会对材料的摩擦行为产生影响，温度越高，

其对磨痕截面变形的影响就越大。当环境温度为-20 ℃时，摩擦产生的热向外辐射较快，因此在球与钢板接触区域受上述因素的影响减少，这时钢板的塑性变形以其在赫兹接触下的应力变形为主，其结果更接近试验值。

3 结 论

进行了船用钢板（载荷为50 N）在不同环境温度下与Al2O3球的摩擦磨损试验，将通过试验得到的摩擦因数和钢板在不同温度下的硬度、屈服强度等参数输入ABAQUS进行数学建模和模拟计算，对比钢板应力和应变的模拟结果和试验结果得到：在相同载荷下，球与钢板之间的磨损随温度的降低而加重;摩擦磨损过程中存在的温升、过渡层、磨屑对摩擦磨损行为的进行有一定的影响作用;利用赫兹接触理论建立有限元接触模型，采用区域网格划分方法;模拟结果与实际磨损结果有一定的误差，温度越低误差越小。在后期的摩擦磨损试验研究中，考虑将温升、表面粗糙度、磨屑、过渡层等影响因素输入有限元模型中，为材料的摩擦磨损性能研究提供更好的理论分析方法。

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（编辑 赵勉）