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兩物體間的摩擦生熱分析
兩物體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的摩擦生熱分析
摘要：有限元分析方法是隨計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的在計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程科學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)計(jì)算方法。其中的熱分析可以識(shí)別出系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析以及結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。文章利用有限元軟件對(duì)兩物體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的摩擦生熱進(jìn)行了有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，計(jì)算了模型的溫度場(chǎng)以及熱應(yīng)力場(chǎng)，并通過對(duì)結(jié)果的分析對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，為該結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。
關(guān)鍵字：有限元 ANSYS 熱結(jié)構(gòu)耦合分析
1. 有限元思想及ANSYS簡(jiǎn)介
有限元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，是20世紀(jì)50年代首先在連續(xù)力學(xué)領(lǐng)域—飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快就廣泛地用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。
1.1. 有限元法簡(jiǎn)介
1.1.1. 有限元法的基本思想
有限元分析計(jì)算的思路和作法可歸納如下： 1. 物理離散化
將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種連接單元組成的計(jì)算模型，這一步稱作單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來。單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)要根據(jù)需要和計(jì)算精度而定。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣的材料由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。一般情況，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量越大。
2. 單元特性分析 （1）選擇未知量模式
在有限元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。
（2）分析單元的力學(xué)性質(zhì)
根據(jù)單元的材料、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步，也是有限元法的基本步驟之一。
（3）計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力
對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來替代所有作用在單元上的力。
3. 單元組集
利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按照原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限元方程。
Kq?f
4. 求解未知節(jié)點(diǎn)位移
求解有限元方程式（上式）得出位移。
可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合”，分是為了進(jìn)行單元分析，合則是為了對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。 1.1.2. 有限元法的基本要素
構(gòu)成有限元系統(tǒng)的3個(gè)基本要素是節(jié)點(diǎn)、單元和自由度：
節(jié)點(diǎn)（Node）：節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對(duì)象，也就是整個(gè)工程系統(tǒng)中的最基本點(diǎn)。它包含了坐標(biāo)位置以及具有物理意義的自由度信息。
單元（Element）：?jiǎn)卧怯晒?jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連而成，是構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一個(gè)有限元系統(tǒng)中必須有至少一個(gè)以上的單元。單元和單元之間由各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接。
自由度（DOF，Degree Of Freedom）：包括系統(tǒng)自由度和節(jié)點(diǎn)自由度。整個(gè)系統(tǒng)的自由度，在分析中需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束，系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有各自的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系和對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)自由度，對(duì)于不同的單元上的節(jié)點(diǎn)，具有不同的自由度。 1.1.3. 有限元法的分析步驟
有限元分析是物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是對(duì)真實(shí)情況的數(shù)值近似。通過分析對(duì)象劃分網(wǎng)絡(luò)，求解有限個(gè)數(shù)值來近似模擬真實(shí)環(huán)境的無限個(gè)未知量。
ANSYS分析過程中包含三個(gè)主要步驟。 1. 創(chuàng)建有限元模型 （1）創(chuàng)建或讀入幾何模型
（2）定義材料屬性
（3）劃分網(wǎng)格（節(jié)點(diǎn)及單元） 2. 施加載荷并求解
（1）施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件 （2）求解 3. 查看結(jié)果 （1）查看分析結(jié)果
（2）檢驗(yàn)結(jié)果（分析是否正確）
1.2. ANSYS軟件簡(jiǎn)介
1.2.1. ANSYS軟件的發(fā)展歷史
ANSYS是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型CAE通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利，以及日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行。從PC到工作站，直至巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。ANSYS是第一個(gè)集成計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)功能的軟件，也是唯一一個(gè)包括多物理場(chǎng)分析功能軟件。
ANSYS是Analysis SYStem的縮寫，是一種廣泛性的商業(yè)套裝工程分析軟件。它由世界上著名的有限元分析軟件公司ANSYS開發(fā)，它能與大多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。
該軟件從1971年的2.0版本至現(xiàn)在的12.0版本，已有近40年的歷史。目前已有許多國(guó)際化大公司以ANSYS作為其標(biāo)準(zhǔn)。 1.2.2. ANSYS軟件的基本功能
ANSYS的基本功能有：結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析等，高級(jí)功能有多物理場(chǎng)耦合分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化等。
熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱通量）等。熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演著重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件、鍛造、鑄造等。
ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)
出其它熱物理參數(shù)。ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。
ANSYS熱分析主要分為兩大類，一是穩(wěn)態(tài)傳熱，是指系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化；二是瞬態(tài)傳熱，是指系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間明顯變化。ANSYS中與熱相關(guān)的耦合場(chǎng)分析主要有熱—結(jié)構(gòu)耦合、熱—流體耦合、熱—電耦合、熱—磁耦合以及熱—電—磁—結(jié)構(gòu)耦合等。
2. 熱結(jié)構(gòu)耦合分析的有限元法
2.1. 熱分析基本知識(shí)
2.1.1. 熱傳遞的方式
如上文所述，熱傳遞的方式主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式。在絕大多數(shù)情況下，我們分析的熱傳導(dǎo)問題都帶有對(duì)流和/或輻射邊界條件。 1、熱傳導(dǎo)
熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度
q??Knn而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：
*
?T?n
*
，其中，（W/m），q為熱流密度
2
Km為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·℃），2、熱對(duì)流
?T?n
為沿向德溫度帝都，負(fù)號(hào)表示熱量流向溫度降低的方向。
熱對(duì)流是指固體的表面和與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流一般作為面邊界條件施加。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來描述：q?hf(TS?TB)，其中，hf為對(duì)流換熱系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等），TS為固定表面的溫度，TB為周圍流體的溫度。 3、熱輻射
熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。
在工程中通�？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱
44
量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—波爾茲曼方程來計(jì)算：Q???A1F12(T1?T2)，
*
?為吸射率?為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，其中，Q為熱流率，（黑度），約為5.67 ?10-8W/m2·K4，
0.119?10-10BTU/h·in2·K4，ANSYS默認(rèn)為0.119?BTU/h·in2·K4，A1為輻射面1的面積，
F12為由輻射面2的形狀系數(shù)，T1為輻射面1的絕對(duì)溫度，T2為輻射面2的絕對(duì)溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。在ANSYS中將輻射按平面現(xiàn)象處理（體都假設(shè)為不透明的）。 2.1.2. 熱力學(xué)第一定律
熱力學(xué)第一定律是熱分析的理論依據(jù)，也成能量守恒定律，即對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量地流入和流出）：Q?W??U??KE??PE，其中，Q為熱量；W為作功；?U為系統(tǒng)內(nèi)能；?KE為系統(tǒng)動(dòng)能；?PE為系統(tǒng)勢(shì)能。對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問題：
?KE??PE?0。
通�？紤]沒有做功：W=0，則：Q??U；
對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析：Q??U=0，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量； 對(duì)于瞬態(tài)熱分析：q?
dUdt
，即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)的內(nèi)能的變化。
將其應(yīng)用到一個(gè)微元體上，就可以得到熱傳導(dǎo)的控制微分方程。 2.1.3. 熱分析的控制方程
熱傳導(dǎo)的控制微分方程為：
??x(kxx
?T?x)?
??y(kyy
?T?y)?
??z(kzz
?T?z
...
)?q??c
dTdt
，其
中
dTdt
?
?T?t
?Vx
?T?x
?Vy
?T?y
?Vz
?T?z
，其中，Vx，Vy，Vz為媒介傳導(dǎo)速率。
2.2. 熱分析的有限元法
熱分析一般可以分為穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析與非線性熱分析、熱輻射分析、相變分析、CFD分析以及與溫度場(chǎng)有關(guān)的耦合場(chǎng)分析。
如果系統(tǒng)的凈熱流率為0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯變化。
ANSYS熱分析的邊界條件或初始條件可分為七種：溫度、熱流率、熱流密度、對(duì)流、輻射、絕熱、生熱。
熱分析涉及到的單元有大約40種，其中純粹用于熱分析的有14種，它們?nèi)绫?所示。
表2 熱分析單元列表
2.3. 熱結(jié)構(gòu)耦合分析的有限元法
熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析是指在有限元分析的過程中考慮了溫度和應(yīng)力兩種物理場(chǎng)的交叉作用和相互影響。耦合場(chǎng)分析主要有兩種方法：序貫耦合方法和直接耦合方法。
熱－結(jié)構(gòu)耦合問題是結(jié)構(gòu)分析中通常遇到的一類耦合分析問題。由于結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的分布不均會(huì)引起結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力，或者結(jié)構(gòu)部件在高溫環(huán)境中工作，材料受到溫度的影響會(huì)發(fā)生性能的改變，這些都是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)需要考慮的因素。為此需要先進(jìn)行相應(yīng)的熱分析，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。因此，熱－結(jié)構(gòu)耦合分析是指求解溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力、應(yīng)變和位移等物理量影響的分析類型。
對(duì)于熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，在ANSYS中通常采用順序耦合分析方法，即先進(jìn)行熱分析求得結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，且將前面得到的溫度場(chǎng)作為體載荷加到結(jié)構(gòu)中，求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。
3. 兩物體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的摩擦生熱分析實(shí)例
在ANSYS中，兩物體由于摩擦產(chǎn)生的總熱流率由下式計(jì)算：q?FHTG????，其中，F(xiàn)HTG為摩擦生熱的能力轉(zhuǎn)化因子（默認(rèn)為1）；τ為等效摩擦應(yīng)力；υ為兩物體的相對(duì)滑動(dòng)速率。接觸面的熱流率為：
qc?FWGT?FHTG????
，其中，
qc
為接觸面所得到的熱
流率；FWGT為目標(biāo)面和接觸面熱量分配權(quán)因子（默認(rèn)值為0.5）。目標(biāo)面的熱流率：
qc?(1?FWGT)?FHTG????
，其中
qc
為目標(biāo)面所得到的熱流率。
3.1. 問題描述及分析
一銅塊在鋼環(huán)上滑動(dòng)，鋼環(huán)固定，其材料參數(shù)見表1，鋼塊和銅塊間的摩擦因素為0.2，滑塊的角速度分為三組，分別為0.000666rad/s、0.00333rad/s、0.00666rad/s，計(jì)算時(shí)間為10s，計(jì)算鋼塊和銅塊由于摩擦產(chǎn)生的溫度場(chǎng)，以及鋼塊和銅塊的應(yīng)力分布，初始溫度為20℃，分析時(shí)，溫度采用℃，其他單位采用國(guó)際單位制。
表1 銅塊和鋼塊的材料參數(shù)表
該實(shí)例屬于熱結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析，屬于旋轉(zhuǎn)摩擦生熱問題，選用耦合場(chǎng)三維六面體SOLID5八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行分析，將角速度載荷轉(zhuǎn)化為切向位移載荷施加在銅滑塊上。
3.2. 建立幾何模型
ANSYS軟件的幾何建模主要有兩種形式，一是利用軟件本身的建模功能建立需要的模型；二是導(dǎo)入通過其他三維CAD軟件建好的幾何模型。由于ANSYS本身的建模功能相對(duì)較弱，其又與主流三維CAD軟件（如CATIA、UG、PRO/E等）擁有已經(jīng)非常成熟的接口，因此一般均采用導(dǎo)入模型的方法。由于本例中的兩物體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此采用了軟件本身的建模方法，幾何模型如圖1所示。
圖1 幾何模型
3.3. 創(chuàng)建有限元模型及網(wǎng)格劃分
在對(duì)問題進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先要做的就是針對(duì)問題建立適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ�，模型要與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的集合外形基本一致。建立有限元模型有兩種方法，即直接法和間接法。直接法是直接根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何外形建立節(jié)點(diǎn)和元素，不需要再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，適用于比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。而間接法是通過點(diǎn)、線、面、體積，先建立有限元幾何模型，再進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，以完成有限元模型的建立，適用于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。有限元模型包括節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)、邊界條件，以及其他用來表達(dá)這個(gè)物理系統(tǒng)的特征。
本實(shí)例采用的是間接法，選用了耦合場(chǎng)三維六面體SOLID5八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行分析，建立適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度之后，進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，模型如圖2所示。并選取鋼環(huán)內(nèi)圈表面和銅滑塊外側(cè)表面為兩相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體的接觸面，建立如圖3所示的接觸。
圖2 有限元模型—?jiǎng)澐志W(wǎng)格 圖3 有限元模型—建立接觸
3.4. 加載求解
根據(jù)實(shí)際情況給模型施加適當(dāng)?shù)膲毫d荷、溫度載荷、約束條件以及位移載荷。對(duì)于位移載荷，將轉(zhuǎn)動(dòng)在微小位移上看成是一個(gè)移動(dòng)，因此根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速將此位移轉(zhuǎn)化為0.002、0.01、002三種位移分別進(jìn)行加載計(jì)算。
其中熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)溫度邊界條件的加載過程是將前面穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)得到的溫度結(jié)果文件（后綴名為.Rth）讀入熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的網(wǎng)格模型中，模型中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都加載上了各自的溫度值，溫差的存在使節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力再和機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行耦合，最后得到模型中節(jié)點(diǎn)的綜合應(yīng)力。三種轉(zhuǎn)速情況下的溫度場(chǎng)分布云圖及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布云圖如 圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示。
圖4 滑塊位移為0.002時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖 圖5 滑塊位移為0.002時(shí)的應(yīng)力分布云圖
圖6 滑塊位移為0.01時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖 圖7 滑塊位移為0.01時(shí)的應(yīng)力分布云圖
圖8 滑塊位移為0.02時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖 圖9 滑塊位移為0.02時(shí)的應(yīng)力分布云圖
3.5. 結(jié)果分析
通過ANSYS熱結(jié)構(gòu)耦合分析的方法，得出了兩物體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦生熱后的溫度場(chǎng)分布情況以及相應(yīng)的應(yīng)力分布情況，并對(duì)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布情況進(jìn)行了對(duì)比說明，為了避免產(chǎn)生因摩擦生熱影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性，可采取如下措施：
（1）選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速。由上文圖表所示，轉(zhuǎn)速越高，其溫度場(chǎng)的最高溫度就越高，且
高溫集中現(xiàn)象越明顯，相應(yīng)的應(yīng)力分布基值就越大，那么該結(jié)構(gòu)的可靠性就越差。
（2）注意磨損。本模型的摩擦實(shí)質(zhì)上屬于滑動(dòng)摩擦，可以認(rèn)為是一個(gè)滑動(dòng)摩擦副。工程中，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間處于高壓、高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相互接觸的滑動(dòng)摩擦副來說，接觸區(qū)的溫度升高會(huì)導(dǎo)致粘著磨損現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重影響著摩擦副的正常運(yùn)動(dòng)。在摩擦過程中，因表層材料的變形或破裂而耗掉的能量大部分轉(zhuǎn)變成熱，從而引起表面溫度的升高。在載荷作用下，摩擦副表面間因有相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，摩擦生熱致使局部產(chǎn)生很高的溫升，有可能形成瞬時(shí)過熱，一個(gè)瞬時(shí)高溫的熱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致表面上相應(yīng)節(jié)點(diǎn)材料狀態(tài)的改變，造成摩擦表面的焊聯(lián)作用。隨后在分離的瞬時(shí)，連結(jié)點(diǎn)被撕裂。這樣，摩擦副表面將產(chǎn)生局部的初期粘著損傷，隨著多次損傷的積累，將引發(fā)明顯的粘著磨損。因此必須注意摩擦磨損現(xiàn)象。
（3）加強(qiáng)關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由上文圖表所示，該模型的最高應(yīng)力集中在鋼環(huán)兩端支腳外端以及銅塊外側(cè)面，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)這兩部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以免發(fā)生失效。
4. 總結(jié)
本文對(duì)有限元思想進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，說明了ANSYS軟件在做熱分析，特別是熱結(jié)構(gòu)耦合分析方面的方法。
通過實(shí)例的操作，熟悉了ANSYS軟件常用功能的操作使用，并對(duì)熱結(jié)構(gòu)耦合方面的知識(shí)有了較為深入的了解，掌握了降低運(yùn)用ANASYS進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合的一般方法。
5. 收獲及感想
雖然已經(jīng)不是第一次接觸ANSYS了，但是對(duì)于熱分析卻是第一次接觸。選擇這個(gè)題目是出于好奇，因?yàn)槟Σ辽鸁崾且粋�(gè)太熟悉的名詞了，但是從未考慮過其溫度場(chǎng)的分布問題，因此就借此機(jī)會(huì)全面了解了一下熱分析的相關(guān)知識(shí)，特別是對(duì)于熱-結(jié)構(gòu)耦合的問題有了深刻的認(rèn)識(shí)。拋開具體的問題，我學(xué)到的不僅僅是如何用ANSYS解決問題的知識(shí)，更是學(xué)到了解決各個(gè)領(lǐng)域問題的思路。從摩擦生熱的例子中得到的啟示是，不管是什么問題，必須先弄清楚問題的本質(zhì)才可能找到最正確的解。就像本文的例子一樣，摩擦生熱問題的本質(zhì)是溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的耦合問題，溫度場(chǎng)的來源是兩物體間的摩擦，因此熱源來自兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么物體材料與相互間的轉(zhuǎn)速就是引起熱源變化的根源，只有了解了這個(gè)本質(zhì)，才能更好地建立該模型，為實(shí)際工程提供參考。對(duì)于其他的問題也同樣如此。
總之，通過這次作業(yè)，學(xué)到了很多知識(shí)，以及知識(shí)之外的很多很多。
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