高速滑靴瞬態(tài)摩擦溫升研究

馮瑞雪，蔡洪能，李雪鋒，韓雪成

（西安交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

飛行器試驗(yàn)是在地面進(jìn)行實(shí)物模擬高超聲速運(yùn)動(dòng)物體飛行的試驗(yàn)，滑靴是飛行器試驗(yàn)中至關(guān)重要的部件，是連接飛行器車體和滑軌的紐帶[1—2]。飛行器滑行時(shí)，由滑靴包住鋼軌的凸緣，支撐橇體沿著軌道高速運(yùn)行。隨著飛行器滑車速度的增加，由于滑塊和軌道間強(qiáng)烈摩擦熱、氣動(dòng)熱的作用，滑靴表層受到固定熱源作用產(chǎn)生高溫、大的溫度梯度溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力，高溫、熱應(yīng)力會(huì)引起高溫?zé)g、涂層剝落、摩擦磨損甚至材料失效等損傷[3—5]，這些損傷嚴(yán)重危及飛行器的運(yùn)行安全，加之飛行器試驗(yàn)存在高速、大載荷以及沖擊等現(xiàn)象，因此，對(duì)滑靴-滑軌摩擦副在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱燒蝕、溫升機(jī)理和行為進(jìn)行深入研究，對(duì)保證飛行器試驗(yàn)的運(yùn)行安全、合理設(shè)計(jì)滑靴結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)防燒蝕涂層等方面具有重要意義。

飛行器滑靴摩擦溫升過程受許多因素影響，而且包括接觸非線性、幾何非線性和材料非線性等非線性問題，是復(fù)雜的物理非線性過程[6]。在滑靴滑動(dòng)過程中，摩擦所消耗的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，并且通過接觸面?zhèn)魅牖セ壗佑|區(qū)域，使接觸區(qū)域溫度升高?；ソ佑|表面受摩擦熱源持續(xù)加熱，而滑軌接觸表面則以新的冷的材料從滑靴底面滑過而被瞬時(shí)加熱，因此接觸邊界條件在不斷變化[7]。隨著溫度升高材料性能往往會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響滑靴溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分布，是一個(gè)材料非線性和熱力耦合的過程。隨著溫度和速度的升高，接觸界面摩擦因數(shù)發(fā)生變化，摩擦因數(shù)的變化會(huì)影響摩擦熱源的大小與分布，進(jìn)而對(duì)溫度場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生影響。任國光[8—9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)燒蝕材料遭遇外部的熱流，表面的溫度迅速達(dá)到裂解溫度失去質(zhì)量，這種燒蝕材料會(huì)吸收大量的熱量，并且開始裂解。質(zhì)量損失的原因包括相變、化學(xué)反應(yīng)以及機(jī)械燒蝕等。材料燒蝕時(shí)會(huì)產(chǎn)生4 個(gè)分區(qū)：原始材料層、熱解反應(yīng)層、炭化層和燒蝕層。

燒蝕材料的燒蝕行為研究方法包括實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析3 種[10]，而數(shù)值模擬與計(jì)算仿真可以依據(jù)目前的理論基礎(chǔ)，根據(jù)材料的物理性能，完美地再現(xiàn)真實(shí)條件下的物理現(xiàn)象。Comsol Multiphysics 是一個(gè)大型高級(jí)多物理場(chǎng)有限元仿真平臺(tái)，起源于MATLAB 的一個(gè)有限元建模插件FEMLAB，根植于PED tools（偏微分工具包），這就決定了它能夠方便地利用PED（偏微分方程）建立模型、定義和求解任意場(chǎng)的耦合場(chǎng)問題?；谶@種特性，COMSOL Multiphysics 更適用于多物理場(chǎng)耦合問題的研究分析，被大范圍用于實(shí)驗(yàn)研究和相關(guān)工程問題的研究計(jì)算，享有“全球首款真正的多耦合場(chǎng)分析軟件”的美譽(yù)[11—12]。Cong Zhou 等[13]利用有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics 計(jì)算青銅基板的內(nèi)部溫度場(chǎng)、金屬蒸汽區(qū)的速度場(chǎng)以及單脈沖激光燒蝕過程中各種平均激光功率水平下燒蝕坑形狀的演變。紀(jì)利平等[14]利用COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件建立銅片雙溫模型。用控制變量的方法，模擬計(jì)算光斑半徑及入射激光能量對(duì)電子系統(tǒng)溫度及晶格系統(tǒng)溫度的影響，預(yù)測(cè)燒蝕形貌。

文中基于Comsol Multiphysics 軟件研究沿長(zhǎng)軌道高超聲速滑動(dòng)時(shí)滑靴接觸界面溫度變化行為，實(shí)現(xiàn)接觸界面高溫?zé)g過程模擬，分析材料的溫度分布及燒蝕形貌等情況。分析中考慮了接觸非線性、材料非線性和幾何非線性等問題，分析得到的滑靴三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)為飛行器實(shí)驗(yàn)滑靴材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)參數(shù)及模型

1.1 材料參數(shù)

靴軌摩擦溫升數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)主要包括材料屬性和運(yùn)行參數(shù)等，每個(gè)參數(shù)的選擇都是基于實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)參考文獻(xiàn)選擇的。

材料參數(shù)：滑靴材料采用MAX300 鋼，滑軌材料采用U71Mn 鋼，MAX 300 的熱物性能參數(shù)如表1所示[15]，U71Mn 鋼的熱物性能參數(shù)如表2 所示[16]。

表1 Vasco Max 300 鋼的物性參數(shù)Tab.1 Physical properties of Vasco Max 300 steel

表2 U71Mn 鋼的物性參數(shù)Tab.2 Physical properties of U71Mn steel

1.2 運(yùn)行參數(shù)

飛行器靴軌運(yùn)行參數(shù)主要包括速度、載荷、摩擦因數(shù)、初始條件和運(yùn)行距離等，滑靴運(yùn)行速度分別為100,150,200,250,300 m/s，具體運(yùn)行速度曲線如圖1所示，摩擦因數(shù)為0.25，初始溫度為室溫293.15 K，滑動(dòng)距離為9000 m，載荷分別為121,140,160 kg。

圖1 滑靴運(yùn)行速度曲線Fig.1 Curve of sliding shoe's running speed

1.3 有限元模型及網(wǎng)格劃分

文中考慮了非線性問題，所以需要按照真實(shí)三維模型分析。應(yīng)用Comsol Multiphysics 軟件對(duì)飛行器滑靴滑軌進(jìn)行建模，靴軌運(yùn)行示意圖如圖2 所示。為提高計(jì)算效率，在劃分網(wǎng)格時(shí)，靠近接觸區(qū)域的部分區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的部分區(qū)域網(wǎng)格粗化。由于對(duì)滑靴的溫度場(chǎng)結(jié)果精度要求較高且為了節(jié)約計(jì)算成本，因此滑靴的網(wǎng)格較細(xì)，滑軌網(wǎng)格較粗且在計(jì)算時(shí)進(jìn)行剛體約束，網(wǎng)格劃分情況如圖3 所示。

圖2 靴軌運(yùn)行示意圖Fig.2 Schematic diagram of sliding shoe and rail's operation

圖3 靴軌網(wǎng)格劃分情況Fig.3 Meshing of sliding shoe and rail

2 結(jié)果分析

2.1 運(yùn)行速度對(duì)滑靴溫度變化的影響

當(dāng)飛行器運(yùn)行過程中滑靴承受載荷為121 kg，運(yùn)行時(shí)間為4 s 時(shí)，不同運(yùn)行速度下滑靴表面溫度變化如圖4 所示，可知，在100 m/s 時(shí)最高溫度為1.66×103K，沒有燒蝕現(xiàn)象出現(xiàn)；而150 m/s 時(shí)最高溫度為1.74×103K，已經(jīng)出現(xiàn)了燒蝕，接觸面已經(jīng)不再平整；200,250,300 m/s 時(shí)燒蝕情況逐漸加劇，在300 m/s時(shí)滑靴的燒蝕已經(jīng)非常嚴(yán)重，兩翼緣已經(jīng)出現(xiàn)了彎曲變形。

當(dāng)運(yùn)行過程中滑靴承受載荷為121 kg 時(shí)，提取滑靴端面距離接觸面不同距離的節(jié)點(diǎn)溫度，以比較在不同運(yùn)行速度下、不同距離的節(jié)點(diǎn)的縱向溫度變化，提取的節(jié)點(diǎn)位置和節(jié)點(diǎn)溫度曲線如圖5 所示?？芍?，100 m/s 時(shí)在滑靴接觸界面處，在4.3 s 開始出現(xiàn)燒蝕，在7.3 s 接觸界面已完全被燒蝕掉，所以不再顯示溫度；速度為150,200,250,300 m/s 時(shí)分別在3.6,3.4,2.9,3.3 s 開始燒蝕，在5,4.4,3.8,4.3 s 接觸界面被燒蝕掉。300 m/s 時(shí)燒蝕時(shí)間晚于250 m/s，可能是由于300 m/s 速度增加得比較慢。

2.2 載荷對(duì)滑靴溫度變化的影響

在摩擦因數(shù)為0.25、運(yùn)行最高速度為100 m/s、運(yùn)行時(shí)間4 s 等參數(shù)相同的情況下，滑靴的表面溫度隨承受載荷的改變而變化，如圖6 所示。可知載荷為121 kg 時(shí)，最高溫度為1.66×103K；載荷為140 kg 時(shí)，最高溫度為1.75×103K；載荷為160 kg 時(shí)，最高溫度為1.74×103K。載荷為160 kg 運(yùn)行4 s 時(shí)的溫度略低于載荷為140 kg 時(shí)的溫度，原因是載荷為160 kg、運(yùn)行4 s 時(shí)已經(jīng)開始出現(xiàn)燒蝕，滑靴表面已有部分被燒蝕掉，損失了部分熱量。

圖4 不同運(yùn)行速度下滑靴表面溫度變化Fig.4 Surface temperature change of sliding shoe at different running speeds

圖5 不同運(yùn)行速度下節(jié)點(diǎn)溫度變化Fig.5 Node temperature change at different operating speeds

3 結(jié)論

通過數(shù)值分析的方法研究了飛行器在不同速度、不同載荷的運(yùn)行工況下對(duì)滑靴溫度場(chǎng)的影響，主要結(jié)論如下。

1）當(dāng)載荷為121 kg，運(yùn)行時(shí)間為4 s 時(shí)，滑靴最高速度為100 m/s 時(shí)最高溫度為1.66×103K，沒有燒蝕現(xiàn)象出現(xiàn)；而150 m/s 時(shí)最高溫度為1.74×103K，已經(jīng)出現(xiàn)了燒蝕；200,250,300 m/s 時(shí)燒蝕情況逐漸加劇。

2）比較距離滑靴接觸面不同距離節(jié)點(diǎn)的縱向溫度變化，100 m/s 時(shí)在滑靴接觸界面上4.3 s 開始出現(xiàn)燒蝕，在7.3 s 接觸界面已完全被燒蝕掉；最高速度為150,200,250,300 m/s 時(shí)分別在3.6,3.4,2.9,3.3 s開始燒蝕，在5,4.4,3.8,4.3 s 接觸界面被燒蝕掉。由于300 m/s 速度增長(zhǎng)得較慢故其開始燒蝕時(shí)間晚于250 m/s 時(shí)的燒蝕時(shí)間。

3）飛行器運(yùn)行最高速度為100 m/s、運(yùn)行時(shí)間4 s 時(shí)，滑靴承受載荷分別為121,140,160 kg 時(shí)，滑靴表面最高溫度為分別為 1.66×103,1.75×103,1.74×103K。載荷為160 kg 時(shí)的溫升略低于載荷為140 kg時(shí)的溫升，是由于載荷為160 kg 時(shí)滑靴表面出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象較早，損失了部分熱量。

圖6 不同載荷下4 s 時(shí)的溫度變化Fig.6 Temperature change at 4 s under different loads