一种摩擦系数的测量方法及其在数值模拟中的应用

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1、一种摩擦系数的测量方法及其在数值模拟中的应用田成达唐鼎李大永彭颖红（上海交通大学机械与动力工程学院知识工程研究所，上海200240）Email：tcd-tcd@sjtu.edu.cn摘要设计了一种针对材料成型中摩擦系数测定实验方法。测定并讨论了在不同边界条件下铜－铜的滑动摩擦系数；采用实验获得的参数，模拟了材料加工中的扩管过程，对扩管工艺参数进行了优化。结果得出：这种动摩擦系数测定仪具有能够能根据真实接触力选取摩擦系数的特点，而且测量数值稳定、精度高，是一种十分适合材料加工领域推广的动摩擦系数测定方法。关键词摩擦系数；kistler动力计；数值模拟；参数优化；Atest

2、ingmethodoffrictioncoefficientanditsapplicationinnumericalsimulationTianChengdaTangDingLiDayongPengYinghong(InstituteofKnowledgeBasedEngineering,SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240)Abstract:Amethodoftestingfrictioncoefficientsinthefieldofmaterialwasdes

3、igned.First,thefrictioncoefficientsweretestedandthetestingresultswerediscussedontheconditionofdifferentkindsofboundaries.Thenthenumericalsimulationmethodwasintroducedtosimulatetheexpendingprocessandoptimizetheparameters.Intheconclusion,itisakindoftestingmethodwhichismorestable,moreaccura

4、cyandespeciallysuitableinthematerialformingfield.Keywords:frictioncoefficient;kistlerdynamometer;numericalsimulation;parameteroptimization;41前言收稿日期：基金项目：973前期预研项目（2006CB708611），上海市重大基础研究项目（06dj14005）和上海纳米专项（0552nm041）。目前国内外对材料加工领域的研究已大量采用计算机仿真模拟手段，但是仿真仍然有一定的局限性，主要原因之一就体现在有限元模拟过程中对材料和边界条件

5、的处理上。材料之间摩擦系数的选取正是其中的难点之一，它直接影响到数值模拟的精度和效率。由于目前在国内的研究中，还不能直接提供材料成型数值模拟所需的现成数据，而一般资料和文献中所提供的数据仅提供一个较宽泛的数值范围，存在着很大的不精确性，所以通过自行的实验设计得到所需的参数势在必行。就目前而言，对动摩擦系数进行标定的仪器中，摩擦系数的测定方法一般有两类，一类是以力传感器为主要手段，用以侦测摩擦过程中的正压力和摩擦力，并求得摩擦系数。另一类是较为传统的机械传动式测量方法，不但能量耗损较大，而且机械惯性大、数值不稳定，很难保证测试结果的精度和灵敏度。本实验方法采用Kistle

6、r动力计做为力传感器，具有原理简单，操作容易，数值稳定、精度高的优点，而且采用多组变正压力测量方法，通过调整摩擦系数测定时正压力值，得到不同正压力条件下材料实际的摩擦系数，从而为数值模拟提供更加精确边界条件。2试验原理2．1模型原理我们知道在一般情况下，摩擦系数仅与摩擦表面的物理特性有关，要测定动摩擦系数，只要能测得两物体产生相对滑动时的正压力N和摩擦力f，通过＝，即可得到动摩擦系数。试验原理示意图见图1。图1原理示意图Fig.1SchematicDiagram实验中，作为传感器的kistler动力计固定在NC机床的工作台上，摩擦试片通过固定装置固定在动力计上，同时摩擦

7、试件头被联接装置固定在数控机床的主轴上。4实验时，机床主轴先向下运动，使得摩擦试件头与摩擦试片的相互接触，之后，工作台以6m/min的速度做水平运动。在这个过程中，kistler动力计将试片上的水平、竖直力信号转变为电信号输出到计算机中，经过处理之后，便可得到一组摩擦试件头与摩擦试片之间的动摩擦系数。在实验中，由于NC机床良好的数控操作性，可以通过NC机床改变摩擦头的下压位移，进而改变每次实验时摩擦压头正压力的大小。最后，通过对不同正压力下得到的摩擦系数取均值的方法得到材料之间最终的动摩擦系数值。2．2Kistler动力计原理：Kistl