一种提升表面减磨性能的织构设计方法

1.本发明属于铝合金表面处理领域和表面织构设计技术领域，具体涉及一种提升表面减磨性能的织构设计方法。


背景技术：

2.近年来，对于铝合金表面减磨抗磨机制的研究受到研究人员的广泛关注。在航空航天领域，铝合金是制造航空航天设备的主要原料。在服役过程中，航空航天设备的传动系统由于其部件的铝合金表面磨损破坏后，传动系统常因供油不充分、未能形成油润滑而进入贫油运转状态，影响设备的稳定性。而表面织构由于可以储存润滑油且降低摩擦系数，可在一定时间内保持传动系统的正常运转，但是目前关于在铝合金表面制备减磨微织构的研究尚处一片空白需要一种可靠的铝合金表面减磨功能微织构的设计方法来解决该问题。
3.在自然界中，人们观察到大雁南飞排成v形结构，可减小空气阻力从而节省体力。这种自然现象给科研人员带来启发，科研人员在材料表面设计制备v形织构结合摩擦磨损试验对其是否可以降低表面的的摩擦系数展开研究，研究发现这种织构在油润滑工况下可以降低材料表面的摩擦系数。但是若想更进一步的改善表面的减磨性能，v形织构的尺寸、排布密度以及排布方式的设计存在很大的客观性，现有的v形表面织构技术没有给出特定的设计标准。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种提升表面减磨性能的织构设计方法；通过织构流体动力润滑有助于改善航空航天设备传动系统中铝合金部件表面的磨损情况，提高航空航天设备的工作稳定性。
5.本发明提供如下技术方案：一种提升表面减磨性能的织构设计方法，包括以下步骤：
6.s1、在加工有织构结构的铝合金表面上，选取表面织构结构，根据选取的表面织构形状，确定单个微织构的基本形状及基本形状的尺寸范围；
7.s2、对单个微织构进行建模，并数值模拟仿真优化微织构的基本形状尺寸；
8.s3、根据步骤s2中数值模拟的结果，对表面织构进行变密度排布设计，确定该排布方式下的微织构间距尺寸，并建立不同微织构深度的多列织构排布模型；然后，通过数值模拟优化微织构深度参数，得出最优的单个微织构形状尺寸，完成铝合金表面减磨功能微织构设计。
9.进一步的，所述步骤s2包括以下具体步骤：
10.s2.1、单个微织构建模：根据步骤s1中确定的单个微织构的基本形状及基本形状的尺寸范围，通过三维建模软件建立单个微织构的尺寸模型；
11.s2.2、数值仿真：将建立的单个微织构模型进行网格划分，并进行数值模拟仿真。
12.进一步的，所述步骤s3的具体过程如下：
13.s3.1、确定单个微织构的形状尺寸参数：根据步骤s2中的数值模拟仿真结果分析微织构表面速度及压力分布的变化规律，评价单个微织构单元的减磨耐磨性能，分析织构的边长、深度对摩擦系数的影响趋势，以确定单个微织构形状尺寸的参数；
14.s3.2、设计织构变密度排布方式及微织构深度范围：在铝合金表面进行织构排布，划分一组织构分布区域，该分布区域即为预设磨损区域，在每个预设磨损区域内设置不同的织构分布密度，并根据减阻微织构设计基本理论，设计各个预设磨损区域内微织构的深度范围；
15.s3.3、计算各个预设磨损区域内的织构数；
16.s3.4、根据步骤s3.3中计算获得的各个预设磨损区域内的织构数，计算对应预设磨损区域内的织构间距；
17.s3.5、多列微织构建模及数值仿真：根据各个预设磨损区域内的织构间距及单个微织构的形状尺寸，通过三维建模软件建立不同深度的多列微织构单元模型，对建立的多列微织构单元模型进行数值仿真；
18.s3.6、确定织构深度及模型验证：根据数值模拟仿真结果分析多列微织构表面速度分布和压力分布的变化规律，根据摩擦系数和压力系数公式评价各个微织构的减磨耐磨性能，分析各特征参数对摩擦系数的影响趋势，确定织构深度；进一步根据分析结果，汇总各最优特征参数分析减磨效果，验证在所选参数下具有最优的减磨效果。
19.通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
20.1)本发明通过变密度的织构排布方式能够在微织构的底部和铝合金表面产生显著的压力差和流速差，织构底部伴随回流现象而产生负压形成气液共存的气穴现象，铝合金表面形成不对称正压力使摩擦副与表面分离，降低其表面摩擦系数并减少磨损；
21.2)本发明涉及的表面织构单元不仅能够在磨损过程中储存一定的磨屑和润滑油，从而降低铝合金表面的磨损；并且能进一步保证铝合金制品摩擦界面的稳定性和使役寿命。
附图说明
22.图1为本发明实施例中，v形微织构设计参数示意图；
23.图2为本发明实施例中，v形微织构基本尺寸参数示意图；
24.图3为本发明实施例中，变密度排布方式示意图；
25.图4为图3中q1扇形区域的局部放大图；
26.图5为本发明实施例中，多列微织构数值模拟得到的横截面压力分布云图；
27.图6为本发明实施例中，多列微织构数值模拟得到的横截面速度云图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细
节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
30.请参阅图1-6，一种提升表面减磨性能的织构设计方法，包括以下步骤：
31.s1、在加工有织构结构的铝合金表面上，选取表面织构结构，根据选取的表面织构形状，确定单个微织构的基本形状及基本形状的尺寸范围；
32.s2、对单个微织构进行建模，并数值模拟仿真优化微织构的基本形状尺寸，具体过程如下：
33.s2.1、单个微织构建模：根据步骤s1中确定的单个微织构的基本形状及基本形状的尺寸范围，通过三维建模软件建立单个微织构的尺寸模型；
34.s2.2、数值仿真：将建立的单个微织构模型进行网格划分，并进行数值模拟仿真。
35.s3、根据步骤s2中数值模拟的结果，对表面织构进行变密度排布设计，确定该排布方式下的微织构间距尺寸，并建立不同微织构深度的多列织构排布模型；然后，通过数值模拟优化微织构深度参数，得出最优的单个微织构形状尺寸，完成铝合金表面减磨功能微织构设计。具体过程如下：
36.s3.1、确定单个微织构的形状尺寸参数：根据步骤s2中的数值模拟仿真结果分析微织构表面速度及压力分布的变化规律；评价单个微织构单元的减磨耐磨性能：凹坑类微织构主要是通过改善润滑模的承载能力来减小摩擦副的摩擦磨损，而润滑膜的承载能力与润滑膜的压力分布密切相关，因此可用润滑膜的压力分布来分析织构几何参数对摩擦副摩擦性能的影响；分析织构的边长、深度对摩擦系数的影响趋势，以确定单个微织构形状尺寸的参数；
37.s3.2、设计织构变密度排布方式及微织构深度范围：在铝合金表面进行织构排布，划分一组织构分布区域，该分布区域即为预设磨损区域，在每个预设磨损区域内设置不同的织构分布密度，并根据流体动压润滑中的摩擦副上下接触面的距离，设计各个预设磨损区域内微织构的深度范围；
38.s3.3、计算各个预设磨损区域内的织构数；
39.s3.4、根据步骤s3.3中计算获得的各个预设磨损区域内的织构数，计算对应预设磨损区域内的织构间距；
40.s3.5、多列微织构建模及数值仿真：根据各个预设磨损区域内的织构间距及单个织构的形状尺寸，通过三维建模软件建立多列织构单元模型，对多列织构单元模型进行数值仿真；
41.s3.6、确定织构深度及模型验证：根据数值模拟仿真结果分析多列微织构表面速度分布和压力分布的变化规律，根据摩擦系数和压力系数公式评价各个微织构的减磨耐磨性能，分析各特征参数对摩擦系数的影响趋势，确定织构深度；进一步根据分析结果，汇总各最优特征参数分析减磨效果，验证在所选参数下具有最优的减磨效果。
42.实施例：
43.一种提升表面减磨性能的织构设计方法，首先，确定微织构基本形状及尺寸范围。对单个微织构进行建模以及数值模拟仿真优化微织构基本形状尺寸。进一步根据所设计变密度排布方式的密度确定微织构间距尺寸，建立不同微织构深度的多列织构排布模型，进一步通过数值模拟优化微织构深度参数，完成铝合金表面减磨功能微织构设计。
44.具体过程如下：
45.1、设计微织构的基本形状及尺寸范围
46.如图1所示，设计微织构的基本形状为v形，由两个等边三角形组合而成其中设计形状参数包括单个v形织构的外边长o、内边长i和宽度t，如图一所示。根据减阻微织构设计基本理论设定微织构最长边o参数范围为300-1000μm。
47.2、单个微织构建模
48.根据所设计织构的形状参数范围设定单个织构的不同基本形状尺寸并利用solidworks软件建立单个v形微织构多种尺寸模型。
49.3、数值仿真
50.将建立的模型导入ansysmesh进行网格划分，借助fluent软件进行数值模拟仿真。
51.流体连续性方程采用纳维斯托克斯方程进行计算，基本公式为
[0052][0053][0054][0055]
式中，ρ——流体密度；
[0056]
u,υ,w——流体在t时刻，速度沿x,y,z方向的分量；
[0057]
p——压力；
[0058]
f——为单位体积流体受的外力，若只考虑重力，则f＝μg；常数μ是动力粘度。
[0059]
为求解连续性方程使方程封闭需建立流体控制模型，考虑到流体通过凹坑织构单元的流动，相邻流体层之间的流速不仅在速度方向上由梯度分布，而且在垂直于流速方向的凹坑内部也有相应的梯度分布，所研究的织构表面流体流动速度较快，选择湍流模型中的标准k-ε模型作为流体控制模型。
[0060]
流体对摩擦副上表面的承载能力用作用于光滑上表面的压力系数c
p
来表征：
[0061][0062]
式中，pi——单元面积压强；
[0063]
p0——标准大气压；
[0064]
q0——参考动压，其中，ρ0和v0分别为参考密度和参考速度，分别取1.225kg/m3和1m/s
[0065]
流体沿运动方向上的摩擦系数cf表示为：
[0066]
[0067]
式中：af——织构面积
[0068]
η——动力粘度，
[0069]
ρ——润滑油密度，
[0070]
i——求和公式里面的数，可取1.2.3.4...n，跟公式前面的求和符号里的i是同一个含义，
[0071]
v——流体流速，
[0072]
a——计算区域的总面积。
[0073]
4、确定单个织构形状尺寸参数
[0074]
根据数值模拟仿真结果分析微织构表面速度分布和压力分布的变化规律，通过数值仿真中的压力系数和摩擦系数公式，评价单个微织构单元的减磨耐磨性能，分析各特征参数对摩擦系数的影响趋势，确定单个织构形状尺寸参数外边长o为700μm、内边长i为400μm和宽度t为150μm。如图2所示。
[0075]
5、织构变密度排布方式设计及微织构深度范围
[0076]
织构在铝合金表面按照顺时针以变化的三种密度排布方式分布在铝合金表面，其分布区域即为预设磨损区域，分布形式为环形，环形区域的内径d1＝10mm，外径d2＝16mm，该区域被分成三个圆心角为120
°
的类扇形区域，设计三个区域的织构分布密度分别为10％、15％、20％，如图3。根据减阻微织构设计基本理论，设计v形微织构深度范围为30-50μm。
[0077]
6、计算区域织构数
[0078]
通过扇形面积计算公式计算图3中的q1扇形区域面积为41mm2，根据各区域设计织构分布密度计算q1扇形区域织构单元分布的总面积为a＝4.1mm2。根据确定的单个织构形状尺寸参数计算织构单元面积为u＝0.143mm2。根据公式计算q1扇形区域织构数为：27，其中a为环形区域总面积，u为织构单元面积。
[0079]
7、确定织构间距
[0080]
织构在各区域以等间距形式排列，根据不同区域织构数，计算各区域织构间距。间距表述如图4所示，其中，计算织构沿半径方向的相邻径向间距公式为：
[0081][0082]
式中，r1——磨损区域内圆半径；
[0083]
r2——磨损区域外圆半径；
[0084]
o——织构单元外边长；
[0085]
k——沿半径方向的空隙个数
[0086]
q1区域织构垂直与半径方向的相邻轴向间距公式为
[0087][0088]
式中，l1——q1区域内圈弧长；
[0089]
n1——内圈织构单元个数；
[0090]
同理计算和得到织构径向间距da＝0.5mm，q1区域轴向间距q2区域轴向间距q3区域轴向间距
[0091]
8、多列微织构建模及数值仿真
[0092]
根据所求织构间距及单个织构形状尺寸，通过solidworks软件建立以图3排布方式所示的多列织构单元模型。与单个织构模型的数值模拟过程同理，对多列微织构模型进行数值仿真。
[0093]
9、确定织构深度及模型验证
[0094]
根据数值模拟仿真结果分析多列微织构表面速度分布和压力分布的变化规律。其中单个微织构单元得到的压力云图和速度云图如图4所示。根据摩擦系数和压力系数公式评价各个微织构的减磨耐磨性能，分析各特征参数对摩擦系数的影响趋势，确定织构深度为30μm。进一步根据分析结果，汇总各最优特征参数分析减磨效果，验证在所选参数下具有最优的减磨效果。
[0095]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。