一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法技术

技术编号:18458918 阅读:27 留言:0更新日期:2018-07-18 12:45
本发明专利技术公开了一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法,本发明专利技术利用图像处理与接触分析的手段概念,把表面形貌信息叠加到模型网格中,实现了摩擦片的接触详细信息的仿真。其能够实现含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真,把微观表面信息添加到宏观摩擦片接触模型上,使得摩擦片的接触压力仿真分布更接近实际情况。通过微观接触理论与宏观实际工程结合起来,使得摩擦片的接触压力仿真具有理论支撑且更具使用意义。

A simulation method for contact pressure of friction plates with surface topography information

The invention discloses a simulation method of contact pressure of friction plate with surface morphology information. The invention uses the concept of image processing and contact analysis, superimposes the surface morphology information into the model grid, and realizes the simulation of the contact details of the friction plate. It can realize the contact pressure simulation of the friction plate with surface morphology information, and add the micro surface information to the contact model of the macro friction plate, which makes the contact pressure simulation distribution more close to the actual situation. Combining the microscopic contact theory with the macroscopic practical engineering, the simulation of the contact pressure of the friction disc has theoretical support and is of more practical significance.

【技术实现步骤摘要】
一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法
本专利技术属于摩擦副压力分布仿真
,具体涉及一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法。
技术介绍
摩擦元件广泛存在于车辆离合器、制动器等基础部件中,摩擦元件性能的好坏直接影响离合器、制动器的性能指标。摩擦元件的扭矩研究一直是研究的热点,根据库伦摩擦理论,扭矩由摩擦系数与正压力乘积产生,由此就分出了摩擦系数和正压力的研究。能否更精确地预测摩擦副的摩擦系数与实现均匀的压力分布设计关系到摩擦片各项性能是否能按照设计意图实现。随着大量摩擦片摩擦磨损试验的进行,摩擦系数,作为宏观参数,已经进行了从载荷、速度、润滑等不同工况下的研究,并建立了Stribeck理论假设以及各种仿真计算方式。但是由于局限于理论与试验技术,对摩擦片接触界面的压力测量与仿真还不能成熟,比如:1)应变片等测量装备尺寸较大不能分辨摩擦片不同区域压力变化;2)接触式压力测量本质上破坏了摩擦接触界面不能反映真实情况;3)宏观的压力仿真只能计算平均压力而丢失了局部压力分布的重要信息、微观仿真要用到接触理论,但接触理论探讨微观尺度10μm级接触,而不能直接应用到工程实际中(量级一般在102mm)进行仿真计算等。上述原因使得摩擦片压力分布试验与仿真研究进展缓慢,这导致指导摩擦片的设计与使用的方法通常是参照经验总结,这必然会使摩擦片的设计结果与使用情况处于不准确、不可控的境地。所带来的后果是使摩擦元件设计与使用不够优化,浪费材料性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为:是为了解决摩擦片宏观压力仿真不能反映微观局部形貌造成压力不均匀的问题,提供一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法,该方法有效的把摩擦片微观局部形貌信息添加到摩擦片接触压力仿真中,其优点在于通过测量真实摩擦片表面形貌,对表面信息进行处理加工,建立表面形貌与接触刚度的数学模型,通过有限元软件把摩擦片微观信息与宏观结构融合在一起,对摩擦片进行含有形貌信息的接触仿真,为摩擦片的压力分布提供较为真实的参考。本专利技术采用的技术方案为:一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法,实现步骤如下:步骤一、测量摩擦片表面形貌特征,用白光干涉仪对摩擦片表面进行随机选点扫描,获得摩擦片表面轮廓信息,包括二维表面图像以及三维表面点阵数据;步骤二、根据步骤一获得的表面轮廓信息,对二维摩擦片表面信息进行图像处理,以颜色深浅不同划分不同的表面区域,使得表面割裂为几种不同的区域,简化仿真难度,并根据三维表面信息获得不同区域之间的平均高度差;步骤三、依据步骤二的区块划分情况,通过步骤一中获得的三维点阵数据,并运用分形理论中的方法提取不同区块中截面的表面分形特征,获得参数为:分形维数D和尺度系数G;步骤四、分析摩擦片,查询获得摩擦片结构参数和材料特性参数,结构参数:摩擦片长,宽,摩擦层厚度;材料参数:弹性模量,材料屈服极限,材料硬度;根据弹塑性接触与分形理论,计算出摩擦片材料的侵入深度与承载能力的关系;步骤五、在步骤四的基础上,结合步骤三的区域形貌特征与步骤二的高度特征,根据材料的侵入深度与承载能力的关系,把摩擦片表面的微观结构信息转化为表面的变刚度信息;步骤六、应用步骤四中的结构参数在ABAQUS软件中建立摩擦片的抽象接触模型,抽象接触模型不包含表面形貌的模型,把包含微观形貌信息的变刚度信息通过变弹性模量的方式加载到摩擦片抽象接触模型中,并进行含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真。其中,步骤二中所述的对二维摩擦片表面信息进行图像处理,其处理并不是随意的根据图像颜色区域划分,而是依据摩擦接触的接触与摩擦片孔隙度性质:真实接触面积Ar大约为名义接触面积Aa的25%~30%之间、摩擦片孔隙度为20%左右,根据表面占份比25:57:18把摩擦片表面划分为三种差异的形貌;然后依据图像颜色识别的方式把摩擦片表面划分并归类为上述三种形貌。其中,步骤三中依据步骤二的区块划分情况,通过步骤一中获得的三维点阵数据,运用分形理论对不同区块中截面的表面分形特征进行提取;其截面选择是依据摩擦片的结构与相对摩擦选取的:选取摩擦片表面相对摩擦速度方向的切向截面、选取摩擦片表面相对摩擦速度方向的法向截面,其对截面的处理是拟合WM函数:式中:Z(x)-粗糙表面轮廓高度;x-粗糙表面测量坐标;G-粗糙表面特征长度尺度系数;D-粗糙表面分形维数(1<D<2);γn-空间频率的模,相应与粗糙表面波长的倒数,他决定着粗糙表面的频谱,γ=1.5可适用于高频谱密度及相位的随机性。其中,步骤四中根据弹塑性接触与分形理论,计算出摩擦片材料的侵入深度与承载能力的关系,计算过程中需要用到侵入深度与接触面积关系公式(2)、接触面积与承载关系公式(3),通过数值方法计算,式中,P为承载力,D为分形维度,G为尺度系数,Aa为表观接触面积,Ar为真实接触面积,ac为塑性极限接触斑点面积,为塑性指数,φ=σy/E,σy是材料屈服极限,K为硬度系数,K=H/σy,H是材料硬度,σ为形貌高度标准差,δ是侵入深度。其中,步骤五中根据材料的侵入深度与承载能力的关系,把摩擦片表面的微观结构信息转化为表面的变刚度信息,把可能接触的区域的切向与周向侵入深度与承载力关系求均值,计算出刚度系数后对刚度系数求均值。其中,步骤六中把包含微观形貌信息的变刚度信息通过变弹性模量的方式加载到摩擦片抽象接触模型中。本专利技术与现有技术相比的优点在于:(1)本专利技术相对比摩擦片宏观接触仿真,其包含一定的摩擦片微观形貌信息,仿真结果更加接近真实实际情况。(2)本专利技术把粗糙表面的接触理论应用到摩擦片接触中去,其把粗糙表面接触的仿真尺寸量级从102μm增加到102mm。大大扩展了粗糙表面理论研究的实用性。(3)本专利技术把摩擦片微观结构信息转化为刚度信息,继而转化为弹性模量信息添加到有限元模型中,降低了含微观形貌摩擦片的压力仿真成本。附图说明图1为本专利技术一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法实现流程图;图2为本专利技术摩擦片表面扫描图;图3为本专利技术中的处理后接触区域;图4为本专利技术中的处理后凹坑区域;图5为本专利技术中的表面形貌拟合情况;图6为本专利技术含表面信息的压力仿真结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术方法的实施方式做详细说明。如图1所示,本专利技术一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法,具体实现过程如下:步骤一、测量摩擦片表面形貌特征,用白光干涉仪对摩擦片表面进行随机选点扫描,获得摩擦片表面轮廓信息,包括二维表面图像以及三维表面点阵数据。步骤二、根据步骤一获得的表面轮廓信息,对二维摩擦片表面信息进行图像处理,把摩擦片划分为不同的区域以进行不同的接触对待。依据摩擦片的接触与摩擦片孔隙度性质(接触斑点面积Ar大约为名义接触面积Aa的25%~30%之间、摩擦片孔隙度占20%左右),把摩擦片表面按占份比25:57:18划分为三种差异的形貌。运用图像处理的办法实现上述表面划分意图,具体通过设计两个颜色阀值c1、c2把像素点按照30:58:12的比例分成三个部分,从而实现摩擦片表面的区域划分。然后根据三维表面信息获得不同区域之间的平均高度差h1、h2,为接触压力计算提供区域间关系特征参数。步骤三、依据步骤二的区块划分情况,通过步骤一中获得的三维点阵数据,并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法,其特征在于,实现步骤如下:步骤一、测量摩擦片表面形貌特征,用白光干涉仪对摩擦片表面进行随机选点扫描,获得摩擦片表面轮廓信息,包括二维表面图像以及三维表面点阵数据;步骤二、根据步骤一获得的表面轮廓信息,对二维摩擦片表面信息进行图像处理,以颜色深浅不同划分不同的表面区域,使得表面割裂为几种不同的区域,简化仿真难度,并根据三维表面信息获得不同区域之间的平均高度差;步骤三、依据步骤二的区块划分情况,通过步骤一中获得的三维点阵数据,并运用分形理论中的方法提取不同区块中截面的表面分形特征,获得参数为:分形维数D和尺度系数G;步骤四、分析摩擦片,查询获得摩擦片结构参数和材料特性参数,结构参数:摩擦片长,宽,摩擦层厚度;材料参数:弹性模量,材料屈服极限,材料硬度;根据弹塑性接触与分形理论,计算出摩擦片材料的侵入深度与承载能力的关系;步骤五、在步骤四的基础上,结合步骤三的区域形貌特征与步骤二的高度特征,根据材料的侵入深度与承载能力的关系,把摩擦片表面的微观结构信息转化为表面的变刚度信息;步骤六、应用步骤四中的结构参数在ABAQUS软件中建立摩擦片的抽象接触模型,抽象接触模型不包含表面形貌的模型,把包含微观形貌信息的变刚度信息通过变弹性模量的方式加载到摩擦片抽象接触模型中,并进行含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真。...

【技术特征摘要】
1.一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法,其特征在于,实现步骤如下:步骤一、测量摩擦片表面形貌特征,用白光干涉仪对摩擦片表面进行随机选点扫描,获得摩擦片表面轮廓信息,包括二维表面图像以及三维表面点阵数据;步骤二、根据步骤一获得的表面轮廓信息,对二维摩擦片表面信息进行图像处理,以颜色深浅不同划分不同的表面区域,使得表面割裂为几种不同的区域,简化仿真难度,并根据三维表面信息获得不同区域之间的平均高度差;步骤三、依据步骤二的区块划分情况,通过步骤一中获得的三维点阵数据,并运用分形理论中的方法提取不同区块中截面的表面分形特征,获得参数为:分形维数D和尺度系数G;步骤四、分析摩擦片,查询获得摩擦片结构参数和材料特性参数,结构参数:摩擦片长,宽,摩擦层厚度;材料参数:弹性模量,材料屈服极限,材料硬度;根据弹塑性接触与分形理论,计算出摩擦片材料的侵入深度与承载能力的关系;步骤五、在步骤四的基础上,结合步骤三的区域形貌特征与步骤二的高度特征,根据材料的侵入深度与承载能力的关系,把摩擦片表面的微观结构信息转化为表面的变刚度信息;步骤六、应用步骤四中的结构参数在ABAQUS软件中建立摩擦片的抽象接触模型,抽象接触模型不包含表面形貌的模型,把包含微观形貌信息的变刚度信息通过变弹性模量的方式加载到摩擦片抽象接触模型中,并进行含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真。2.根据权利要求1所述的一种含表面形貌信息的摩擦片接触压力仿真方法,其特征在于,步骤二中所述的对二维摩擦片表面信息进行图像处理,其处理并不是随意的根据图像颜色区域划分,而是依据摩擦接触的接触与摩擦片孔隙度性质:真实接触面积Ar大约为名义接触面积Aa的25%~30%之间、摩擦片孔隙度为20%左右,根据表面占份比25:57:18把摩擦片表面划分为三种差异的形貌;然后依据图像颜色识别的方式把摩擦片表面划分并...

【专利技术属性】
技术研发人员:王延忠贾树王郭超
申请(专利权)人:北京航空航天大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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