在Ansys Mechanical中对磨损进行建模
磨损是指由于机械接触而逐渐从表面去除材料。在轴承、齿轮、紧固件和密封件等实际工程系统中，磨损会影响长期耐用性并导致性能下降。Ansys Mechanical使用户能够使用经验磨损模型来仿真这种现象。其中最主要的是 Archard 磨损模型。
在本博客中，我们将探讨如何在Ansys中对磨损进行建模，如何实现Archard模型，APDL命令的使用，后处理策略和网格划分指南。
什么是有限元分析中的磨损？
在有限元分析中，磨损是通过移动接触表面上的节点来复制材料侵蚀来建模的。仿真迭代更新几何，并在每次更新后重新计算平衡，使过程成为非线性的。
Ansys使用将压力、相对运动和材料阻力与表面损失联系起来的经验定律来处理连续介质尺度的磨损。
支持的接触元素
磨损建模仅适用于以下接触单元类型：
- CONTA173
- CONTA174
- CONTA175
为了激活磨损，将具有 TB，WEAR 模型的材料定义应用于这些接触单元。
磨损建模选项
有两种类型的磨损模型：
Archard Wear 模型（原生）
用户自定义磨损模型（通过 USERWEAR 定制）
本文重点介绍 Archard 方法。
Archard 磨损模型解释
Archard 模型使用以下关系近似磨损率：
哪里：
K = 磨损系数
H = 材料硬度
P = 接触压力
v = 相对滑动速度
m = 压力指数
n = 速度指数
默认情况下，磨损矢量指向接触法线的对面，但可以使用方向输入来更改。
APDL 设置：使用 TB、WEAR 和 TBDATA 定义磨损
要在Ansys Mechanical中激活磨损建模，必须使用TB，WEAR命令定义专用材料模型。该命令与 TBDATA 相结合，允许用户输入与磨损相关的材料常数，以控制磨损的计算方式以及在接触表面上的应用方式。
实现 Archard 磨损模型的基本语法是：
| TB，WEAR，1,,,ARCD ！激活材料 ID 1 TBDATA，1，K，H，m，n 的 Archard 磨损模型！磨损常数（必填） TBDATA，6，nx，ny，nz ！可选方向余弦，用于自定义磨损方向 |
ARCD 关键字激活内置的 Archard 模型。
材料 ID（在本例中为 1）必须对应于接触元素集（例如，CONTA172、CONTA174 或 CONTA175）。
附加 Archard 磨损常数定义如下：
| 不断 | 参数说明 |
|---|---|
| C1 | 磨损系数 （K） – 确定材料去除率 |
| C2 | 硬度 （H） – 耐磨性;可以根据布氏硬度或维氏硬度（以 Pa 为单位）估计，也可以根据材料产率得出 |
| C3 | 压力指数 （m） – 压力对磨损的非线性影响 |
| C4 | 速度指数 （n） – 滑动速度对磨损的非线性影响 |
| C5 | 模型标志 – 控制磨损算法的行为（可选，如下所述） |
| C6-C8 | 方向余弦（nx、ny、nz） – 磨损方向的可选覆盖 |
在Ansys中实现的Archard方程是广义的，这意味着压力和速度的依赖性可以通过m和n进行调整。
- 省略 C5-C8 使用默认方向（与触点法线相反）。
估计材料硬度
在基于塑性的材料模型中，如 TB、BISO、C2（硬度）可以根据当前屈服应力自动估计：
| TBDATA，2，-99 ！激活自动硬度 = 屈服应力 / 3 |
条件：
仅当基础元素为：PLANE182、PLANE183、SOLID185、SOLID186、SOLID187或SOLID285
在第一个子步骤中不会发生磨损，因为之前的良率数据尚不可用。
了解 C5：磨损应用的行为标志
第五个常数 C5 改变了磨损增量的计算和应用方式。每个选项都适用于不同的建模场景：
| 价值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 默认值：基于接触压力的磨损 |
| 1 | 使用来自底层实体单元的节点应力而不是接触压力 |
| 10 | 平均磨损（压力）：平衡整个接触面积的磨损增量 |
| 11 | 平均磨损（应力）：与上述相同，但使用节点应力 |
| -99 | 仅后处理：计算磨损，但不应用于几何体 |
使用 C5 = 1 可在不同网格之间的不对称接触时获得更平滑的磨损行为。
使用 C5 = 10 或 11 来确保跨界面的磨损分布均匀。
使用 C5 = -99 调试或研究磨损趋势，而不会影响收敛或几何形状。
高级用途：定向磨损控制
如果必须在与接触法线相反的方向上施加磨损，请使用方向余弦：
| TBDATA，6，nx，纽约，新西兰 |
这在以下情况下很有用：
旋转接触引起磨损
倾斜滑动主导材料去除
实验校准证明方向偏差是合理的
确保 （nx， ny， nz） 表示全局坐标中的单位向量。
与时间和温度相关的磨损
使用 TBFIELD 或 TBTEMP 定义随时间或温度变化的磨损系数。
时间依赖性：
| TBFIELD，时间，0 TBDATA，1，K，H，m，nTBFIELD，TIME，10 TBDATA，1，K，H，m，n |
将其用于微动或疲劳等磨损随着时间的推移而缓慢演变的应用。
温度依赖性：
| TBTEMP，25 TBDATA，1，K，H，m，n TBTEMP，100 TBDATA，1，K，H，m，n |
在滑动摩擦导致局部加热和温度影响材料阻力的情况下应用此功能。
加速磨损仿真
虽然Ansys中的磨损分析本质上是非线性和迭代性的，但自动化技术可以显著提高效率，特别是对于长时间的仿真。Ansys提供了两种主要方法来加速和控制磨损进展：自动磨损缩放（AUTS）和逐周期磨损缩放（CBCS）。这些方法使仿真能够表示延长的物理时间范围，而无需过多的子步骤，使工程师能够有效地评估稳定或循环载荷下的长期磨损行为。这两种方法都可以根据应用的要求进行定制，以平衡速度和精度。
自动缩放 （AUTS）
根据触点穿透深度，鳞片在每个子步骤中都会磨损。
| TB，WEAR，matid,,,AUTS TBDATA，1,0.1,1e5 ！C1 = 安全系数，C2 = 最大刻度 |
逐周期缩放 （CBCS）
更新仅在负载循环结束时磨损。非常适合周期性负载。
| TB，WEAR，matid,,,CBCS TBDATA，1,0.1,1e5 |
AUTS 通常更平滑;仅当周期明确定义时才使用 CBCS。
几何更新和平衡
在每个子步骤中，一旦满足收敛，磨损增量就会移动表面节点。这会暂时破坏平衡，这可以通过额外的迭代来解决。建议使用较小的时间步长，以避免意外触点分离等问题。
佩戴过程中的网眼注意事项
磨损建模会改变曲面几何形状，并可能扭曲底层实体单元。要管理网格完整性：
使用重新分区或非线性自适应 （NLADAPTIVE）
启用 tet/brick 元素的变形
避免接触区域中的混合网格
示例：NLADAPTIVE 设置
| nladaptive，contwearel，添加，联系人，磨损，0.75 nladaptive，contwearel，on,,,5,1,7 |
参数说明：
contwearel：包含磨损接触元件的元件名称
add：添加了触发自适应重新划分网格划分的新标准
contact：要评估的标准类型（基于接触条件）
wear：指定磨损是感兴趣标准的子类型
0.75：阈值;当 75% 的材料磨损时触发重新啮合
on：激活自适应进程
5：频率;程序每5个子步骤检查一次磨损标准
1,7：此自适应规则处于活动状态的开始和结束时间
后处理磨损数据
提取结果：
NMISC：每个节点的总磨损矢量
NLHIST：磨损量跟踪和自动停止标准
| NLHIST，ALL NLHIST，STOP_VALUE，WearVol，1e-3 |
可视化：
在 .rst 文件中查看磨损位移
绘制磨损的几何体与未磨损的几何体
分析接触压力或表面损伤的趋势
USERWEAR 子例程：当需要定制时
对于高度特定的磨损模型，实施 USERWEAR 例程。
输入变量包括：
滑移、应力和温度
接触节点坐标
材料常数（来自 TBDATA)
定义输出：
WearInc = 每个子步骤的磨损增量
WearDir = 可选矢量方向
非常适合需要自定义物理场或高度非线性磨损行为的应用。
最后的思考
Ansys Mechanical提供强大的磨损建模功能，特别是通过Archard模型。通过仔细考虑磨损方向、结垢和元件变形，工程师可以模拟真实的材料随时间的降解。
总结一下：
一般情况使用 Archard，定制需求使用 USERWEAR
应用缩放以提高效率
通过重新分区或适应性保护网格质量
后处理磨损效果为设计改进提供信息
通过集成这些工具，工程师可以自信地预测磨损性能并做出数据驱动的设计选择。