一种轴承钢打滑蹭伤的微观磨损研究方法

本公开属于计算机模拟材料微观损伤，具体涉及一种轴承钢打滑蹭伤的微观磨损研究方法。

背景技术：

1、磨损是发动机主轴承的主要失效形式之一，从摩擦学角度来看，发生磨损是由于两个材料的接触界面上的微凸体之间相互作用而发生材料转移和损失导致的。通常，主轴承上的磨损类型可以分为磨粒磨损和粘着磨损，故障形式表现为打滑蹭伤、严重偏磨等。

2、由于航空发动机的后轴承经常工作于高速、轻载的工况下，轴承中的滚子与内外滚道之间更容易出现因打滑而产生的磨损，称为打滑蹭伤，轴承上的打滑会导致轴承的摩擦形式由滚动摩擦变为滑动摩擦，使摩擦行为加剧，还会导致打滑区域的滚动轴承和润滑油之间的温度急剧升高，导致润滑油膜在局部高温下瞬间破裂，从而造成轴承滚子和滚道之间产生干摩擦接触，进而缩短轴承使用寿命。

3、由于轴承内部滚子和内外滚道的接触关系、运动关系和润滑油膜破裂的复杂性，现有的运动学理论以及仿真方法很难准确对轴承中发生的打滑蹭伤失效进行预测，且无法提供打滑蹭伤的失效机理和轴承的可靠性分析结果。

4、因此，对轴承打滑失效机理进行深入研究是及其迫切和重要的。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种轴承钢打滑蹭伤的微观磨损研究方法，该方法通过构建轴承钢粘着磨损分子动力学模型以及对模拟数据进行可视化，能够从得到的相应数据图像中定性和定量两方面准确地对轴承钢打滑蹭伤失效进行预测。

2、为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

3、一种轴承钢打滑蹭伤的微观磨损研究方法，包括以下步骤：

4、s100：建立包括压头和基底的轴承钢粘着磨损分子动力学模型；

5、s200：对所述轴承钢粘着磨损分子动力学模型进行预处理；

6、s300：在完成模型预处理后，将压头下移和基底接触，并监测压头受到的力和发生的位移，以实时输出压头与基底间的接触载荷；

7、s400：对压头施加不同载荷并在基底上作横向往复运动，以模拟主轴承滚动体与滚道之间的相对滑动粘着磨损过程；

8、s500：采集不同载荷下的模拟数据并对模拟数据可视化，以对轴承钢打滑蹭伤失效进行预测。

9、优选的，步骤s100包括以下步骤：

10、s101：获取轴承钢的特征参数，特征参数包括轴承钢中的元素种类及各种元素的质量分数和粒子间距；

11、s102：根据轴承钢的特征参数建立具有确定尺寸和确定晶向的体心立方结构铁基体模型，并得到铁基体模型中铁原子个数及坐标；

12、s103：通过原子置换依次将铁基体模型中的铁原子随机替换成相应数量的金属合金元素的原子并在铁基体中均匀分布；

13、s104：在铁基体模型的模型范围内随机插入相应数量的碳原子并在铁基体中均匀分布。

14、优选的，步骤s100中，所述轴承钢粘着磨损分子动力学模型采用理想化的摩擦副简化模型，包括平面-平面模型、凸峰-平面模型和凸峰-凸峰模型。

15、优选的，步骤s200中，所述对轴承钢粘着磨损分子动力学模型进行预处理包括以下步骤：

16、s201：对模型进行能量最小化；

17、s202：对能量最小化后的模型进行驰豫处理。

18、优选的，步骤s201中，所述对模型进行能量最小化包括以下步骤：通过lammps程序指令，使用共轭梯度算法中的polak-ribiere法对模型进行时间积分以实现能量最小化。

19、优选的，步骤s202中，所述对能量最小化后的模型进行驰豫处理包括以下步骤：设置进行分子动力学模拟的弛豫算法：使用non-hamiltonian运动方程中的nose-hoover热浴法对时间进行积分，每步更新原子的速度和位置，保持系统内的粒子数量、体积和温度不变，以对能量最小化后的模型进行弛豫过程。

20、优选的，步骤s500中，所述对模拟数据可视化包括以下步骤：

21、s501：基于不同载荷下的模拟数据绘制摩擦力-位移曲线，基于摩擦力-位移曲线计算压头与基底之间的摩擦力和摩擦系数，基于摩擦力和摩擦系数获得不同载荷下的摩擦力-摩擦系数曲线图；

22、s502：对压头模型和基底模型进行布尔运算，以对粘着磨损原子进行统计；

23、s503：基于不同载荷下的模拟数据分别绘制最大应力值曲线图和最大mises应变值曲线图，并基于最大应力值曲线图和最大mises应变值曲线图分别获得最大应力值和最大应变值。

24、本公开还提供一种轴承钢打滑蹭伤的微观磨损研究装置，包括：

25、模型构建单元，用于建立包括压头和基底的轴承钢粘着磨损分子动力学模型；

26、预处理单元，用于对所述轴承钢粘着磨损分子动力学模型进行预处理；

27、监测单元，用于在模型完成预处理后监测压头下移和基底接触时压头受到的力和发生的位移；

28、模拟单元，用于对压头施加不同载荷并在基底上作横向往复运动，以模拟主轴承滚动体与滚道之间的相对滑动粘着磨损过程；

29、预测单元，用于采集不同载荷下的模拟数据并对模拟数据可视化，以对轴承钢打滑蹭伤失效进行预测。

30、本公开还提供一种电子设备，包括：

31、存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，

32、所述处理器执行所述程序时实现如前任一所述的方法。

33、本公开还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如前任一所述的方法。

34、与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

35、本公开通过建立轴承钢粘着磨损分子动力学模型，以实现对轴承钢粘着磨损进行模拟，从而能够有效预测载荷、温度和滑动速度对摩擦磨损的影响，有利于探究轴承钢打滑蹭伤的微观材料损伤机理。

技术特征：

1.一种轴承钢打滑蹭伤的微观磨损研究方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤s100包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s100中，所述轴承钢粘着磨损分子动力学模型采用理想化的摩擦副简化模型，包括平面-平面模型、凸峰-平面模型和凸峰-凸峰模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s200中，所述对轴承钢粘着磨损分子动力学模型进行预处理包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤s201中，所述对模型进行能量最小化包括以下步骤：通过lammps程序指令，使用共轭梯度算法中的polak-ribiere法对模型进行时间积分以实现能量最小化。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤s202中，所述对能量最小化后的模型进行驰豫处理包括以下步骤：设置进行分子动力学模拟的弛豫算法：使用non-hamiltonian运动方程中的nose-hoover热浴法对时间进行积分，每步更新原子的速度和位置，保持系统内的粒子数量、体积和温度不变，以对能量最小化后的模型进行弛豫过程。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s500中，所述对模拟数据可视化包括以下步骤：

8.一种轴承钢打滑蹭伤的微观磨损研究装置，包括：

9.一种电子设备，包括：

10.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行权利要求1至7任一所述的方法。

技术总结
本公开揭示了一种轴承钢打滑蹭伤的微观磨损研究方法，包括：S100：建立包括压头和基底的轴承钢粘着磨损分子动力学模型；S200：对所述轴承钢粘着磨损分子动力学模型进行预处理；S300：在完成模型预处理后，将压头下移和基底接触，并监测压头受到的力和发生的位移，以实时输出压头与基底间的接触载荷；S400：对压头施加不同载荷并在基底上作横向往复运动，以模拟主轴承滚动体与滚道之间的相对滑动粘着磨损过程；S500：采集不同载荷下的模拟数据并对模拟数据可视化，以对轴承钢打滑蹭伤失效进行预测。

技术研发人员：杨雷,韩怡琨,胡徐洋,张传伟
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15