第29卷第2期硅酸盐通报v。1．29N。．2
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基于ANSYS／LS·DYNA的磨料冲击行为分析
廉晓庆1，蒋明学1，白顶有2
(1．西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安7l0055；2．西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055)
摘要：采用实验与有限元模拟相结合的方法研究了磨料形状和粒径对材料冲蚀磨损性能的影响。采用line踟
eIastic·isotr叩ic模型作为靶材的本构模型，运用ANsYs／LS—DYNA的三维显式动力分析模型建立了棕刚玉磨料冲蚀
高强耐火浇注料的有限元模型，运用求解器对冲蚀过程中的磨料冲击行为进行了计算。结果表明：单个六棱柱体
磨料颗粒对靶材中心点的v∞mi螂应力最大值为球体磨料的4倍左右，磨料形状对冲蚀磨损有很大影响；随着磨
料粒径的增大，靶材中心点的咖nlis∞应力最大值急剧增加；110℃烘后高强耐火浇注料的冲蚀磨损率随着磨料
粒径的增加而增加，磨料粒径的增加对1100℃烧后高强耐火浇注料的冲蚀磨损率影响不大。
关键词：ANsYS／LS—DYNA；冲蚀磨损；磨料；v∞IIIi蝴应力
中图分类号：’I．Q11文献标识码：A文章编号：1001．1625(20lO)02删埘
AnalysisofImpactingBehaviorofAbrasiVeParticles
BasedonANSYS／LS．DYNA
u州X汹一q讥窖．JIANGM讥g．，c矗，BAlD讯g．y击
(1．Sch∞l0fMaterialsScience柚dEngin∞ring，xi，觚Univ哪酊ofAnchitecnIIe锄d‰hnolo盯，Xi缸710055，China；
2．Sch砌ofCivilE晤ne碰ng，】【i缸UniV哪i婶0fArcIlitectu地andTkhnolo舒，xi细710055，ChiIla)
Abstract：Thei越luenceofabrasiveparticle台shapeandsizeonabrasionwearwereinvestigatedbybotll
oftestsandfiniteelementmethodsimulation．Theabrasivepaticle(particle)w嬲brownfusedalumina，
andthetargetmaterialwashighstren昏href}actory．“near·elastic—isotropicmodle(model)wasselected
astheta唱et—materialconstitutiVemodel．Thenumericalmodelofbrownfusedaluminaimpactinghigh
s眈n加refractorywasdesignedbyusingexplicitdynamicanalysisoftllree—dimensionalinANSYs／LS—
DYNA，andtheerosionprocesswassimulatedbyusingLS．DYNAsolver．Itwasfoundthatthema】【imum
ofVonmisessn．essatthecenteroftargetimpactedbysin出ehexagonalprism曲rasivepaticleis(was)
aboutfourtimesofwhichimpactedbysindesphereabr暑憾iVepaticle．711leshape0fabrasiveparticlehada
greatinnuenceontheerosionwear．Themaximum“Vonmisesstress砒thecenteroftargetincreased
sha印lywitIltheincre鹕eofpaticlesize，anditsaction(action)timewaslonger．Theerosionwearrateof
h培hstren昏hrefhctoryafterbakingat110℃increasedwit}l山eincreaseofparticlesize，butpaticlesize
hadlittle础bctontheerosionwearrateofwhichafterbumedat1100℃．
Keywords：ANSYS／LS—DYNA；emsionwear；abmsivepanicle；vonmisesstress
1引言
冲蚀磨损是一个动态的材料表面失效过程，Bitter将冲蚀磨损定义为“流体携带固体颗粒对材料表面高
作者简介：廉晓庆(1985·)，女，博士研究生．主要从事耐火材料及应用研究．E一啪il：lianxi40qiⅡ印304@126．c哪
410研究快报硅酸盐通报第29卷
速冲击造成的材料损坏”…。冲蚀磨损是耐火材料使用过程中的主要损毁形式之一，研究不同参数下耐火
材料的冲蚀磨损规律，对探索耐火材料的冲蚀磨损机理，研究开发抗冲蚀性能优良的耐磨耐火材料有重要的
理论意义和经济价值。
从Finnie提出微切削模型后【2】，冲蚀磨损得到了广泛的研究，已得到许多分析模型和预测公式∞]，但这
些模型只能解释某些特定材料特定条件下的冲蚀磨损行为，存在一定的局限性。近年来有限元模拟开始被
发展用来研究冲蚀磨损过程，WaJlgMl分别以状态方程相关的Johnson．Cook和Johnson．Holmquist模型作为本
构模型，100粒碳化硅为磨料，研究了塑性材料(Ti石A14V)和脆性材料(SiC陶瓷)的冲蚀磨损过程。研究
表明，有限元模拟的分析结果与前人的实验结果一致。Johnson-c00k模型适用于塑性材料的高应变率冲
击H】，在ANSYs／LS．DYNA的材料模型库中编号为15；而适用于脆性材料的Johnson．Holmquist模型[43较为
复杂目前研究成果很少。
本文以棕刚玉为磨料，高强耐火浇注料为靶材进行了冲蚀磨损实验，研究磨料性质(形状、粒径)对冲蚀
磨损性能的影响。运用有限元模拟初步探讨冲蚀磨损过程中的磨料冲击行为。
2实验
以棕刚玉(5—3mm、3一lmm、1—0mm、<0．088mm)，硅微粉，a-A1203微粉，CA-70铝酸盐水泥为主要
原料制成高强耐火浇注料。将配好的物料振动成型为loo×100×20mm的试样，110℃烘干24h后，在
1100℃下进行烧结并保温3h。取110℃烘后试样和1100℃烧后试样作为靶材，两种材料的力学性能见表
1。磨料为棕刚玉(m：O，≥95．0％)，硬度20—22GPa，密度4．0g／cm3，平均粒径分别为0．50mm，0．71mm，
1．9mm．
表l试样的力学性能
Tab．1Mechani伪lpropertiesofs锄pl酷
No．Tempe阳ture／℃Density／g·cm’3P0rosity／％CompressivestrengIh／MPa
A1103．219．266．4
Blloo3．512．388．4
试验装置为自制的常温冲蚀试验仪，冲蚀磨损试验参照GB／T1830l-200l耐火材料常温磨损试验方法。
以下实验冲蚀角度90。，冲蚀速度5H∥s，磨料总量2kg，流量160g／min，气体压力400kPa。由于试样的密
度不同，为便于比较，用体积冲蚀磨损率(简称冲蚀磨损率)E，(cm3)来反映材料的抗冲蚀磨损性能：
Ey=(mo—m1)／(p肘)
式中：p为试样的密度，砂cm3；m。为试样原始质量，g；m。为冲蚀磨损后试样的质量，g；M为磨料总质量，
kg。
3有限元建模
虽然单个粒子的冲击不会导致材料剥落，无法计算出冲蚀磨损率，但很多学者认为”1研究单个粒子对
材料的冲蚀是冲蚀磨损研究的基础。本文有限元建模的目的在于研究不同磨料形状和粒径对靶材受力的影
响，所以建立了单个磨料颗粒对材料的冲蚀有限元模型。由于本实验冲蚀速度仅为5，n／s，靶材属于脆性材
料，因此不会产生大应变率。又考虑到单个磨料颗粒的冲击作用时间很短仅几微秒，靶材应力应变曲线为脆
性断裂，所以将材料本构模型简化为linea卜elastic．isotropic模型。为了节省计算时间，磨料材料类型为刚体。
靶材选择solidl64单元，磨料选择solidl68单元。运用有限元ANsYs／LS—DYNA的三维显式动力分析模
型建模。靶材为2哪×2mm×1mm的块体，材料性能参数如下：密度3．5g／cm3，弹性模量400GPa，泊松
比0．25。磨料位于靶材正上方2mm高处，材料性能参数：密度3．2g／cm3，弹性模量450GPa，泊松比0．25。
将圆形磨料的形状理想为球形，实际冲蚀过程中磨料通常为多角形颗粒，所以研究磨料形状对冲蚀磨损的影
第2期廉晓庆等：基于ANsYS／Ls—DⅥ峨的磨料冲击行为分析4ll
晌时，分别将磨料建模为球体和六棱柱。球体半径与
实体尺寸一致为O．25r姗，六棱柱内切圆半径O．25
姗，深度0．4姗，以此保证磨料颗粒体积相同。研究
磨料粒径对冲蚀磨损的影响时，将磨料建模为球体，球
体半径分别为O．15咖，0．25咖，0．35mm，0．55姗。
为了获得精确的结果，靶材冲击区域采用精细网
格。磨料和靶材的几何模型和网格划分见图l。靶材
底部和四周节点由非反射边界定义。接触类型选择
面一面侵蚀接触算法(Es码)，静动摩擦系数分别为O．图l
15、0．10。定义磨料初速度为5舶／s，通过ANsYS参数
设置语言(APDL)向磨料施加重力加速度9。8IIl／s2。
求解时间2l，t为磨料颗粒从开始降落到接触靶材表
面所需的时间。
4结果和讨论
4．1磨料形状对冲蚀磨损性能的影响
为了分析磨料形状对冲蚀磨损性能的影响，分别
将磨料建模为球体与六棱柱体，球体代表边缘圆滑的
磨料，六棱柱体代表棱角尖锐的磨料。研究了两种情
况下靶材中心点的vonmises应力，分析结果见图2。
当磨料颗粒为多角形颗粒时，尖角接触材料表面，
颗粒的所有能量均施加于很小的接触面上，由图2可
见，六棱柱体磨料颗粒对靶材中心点的vonmises应力
最大值为球体磨料的4倍左右，材料受到的应力越大
越容易出现裂纹产生磨损。研究表明L6j，在相同条件
下，都是90。冲击角时，多角形磨粒比圆形磨粒的磨损
大4倍，本文有限元模拟结果可很好地解释此现象。
可见，利用有限元建模分析材料在单个粒子冲击
下的受力情况，是研究冲蚀磨损过程的有效途径。不
有限元模型和网格划分(a．球形磨料；b．六棱柱磨料)
f豫．1Finite幽嘲皓眦耶旧thodmodeland
Ⅱ瞄IliIlg(墨．sphe糟．b．1le瑚g叽alprism)
(x：
秀：
l，
．蓍
星
图2不同形状磨料冲蚀下不同形状
磨料靶材中心点的vonIIlis髓应力
Fig．2Vonmisesstressatthecenteroftarget
impactedbyabmsiveparticles讲thdifferentsllape
足的是，有限元无法设置硬度参数，分析磨料硬度对材料冲蚀磨损率的影响。
4．2磨料粒径对冲蚀磨损性能的影响
不同磨料粒径下材料的冲蚀磨损试验结果见图3。
可以看出同一磨料粒径冲蚀的条件下，110℃烘后试样
的冲蚀磨损率均大于1100℃烧后试样。随着磨料粒径
的增大，110℃烘后试样的冲蚀磨损率随之增大，颗粒
越粗冲蚀磨损越严重，而1100℃烧后试样冲蚀磨损率
几乎不变。磨料粒径对脆性材料冲蚀磨损的影响研究
者们持不同意见，鲍崇高"1认为当粒径尺寸增大到一定
程度时，材料的冲蚀磨损率将不再随之增加，即脆性材
料与塑性材料一样具有“粒径效应”，而董刚旧1认为脆
性材料不存在“粒径效应”。由本实验结果可知，脆性材F‘g．3
料具有“粒径效应”，而且材料性能对“粒径效应”中临
亡]110℃。囫1100℃
笏笏弱
Abf丑sivepanicl铭sizc，阻n
图3磨料粒径对材料冲蚀磨损性能的影响
Erosionmteswithdi妊brent8ize8ofabm8ivepanicles
M
幢
m
8
6
^昌o，窖譬曩口oI∞2脚
412研究快报硅酸盐通报第29卷
界粒径的影响很大，抗冲蚀磨损性能越好临界粒径越小。分别取球体半径为0．15-nm，0．25n腿，O．35mm，0．55
n蚰，进行了有限元建模。研究了四种情况下靶材中心点的vonIIlises应力，分析结果见图4。
图4不同粒径磨料冲蚀下靶材中心点的vonmi∞s应力(球体半径为a．0．15姗，b．0．25mm，c．O．35咖，d．O．45mm)
Fig．4VonlIlisess№ssattllecenteroft印蝉impactedbyab瑚ivepanicles诵thdi艉rentsize
由图4看出，磨料颗粒接触到靶材中心点后，靶材中心点的vonmises应力迅速增加，在很短的时间内达
到最大值，然后急剧减小，形成一个尖锐的峰，减小到某一值后保持不变。随着磨料粒径的增大，靶材中心点
的vonmises应力最大值急剧增加，磨料半径为O．15mm时，vonmises应力最大值只有“OPa左右，磨料半
径为O．55mm时vonmises应力最大值急剧增加到30MPa。l10℃烘后试样气孔率高强度低，存在很多晶体
缺陷，应力的增加将导致进一步的材料磨损，所以随着磨料粒径的增大冲蚀磨损率增大。由牛顿第二定律可
知，磨料粒径增加磨料本身所受的应力也急剧增加，冲蚀磨损过程中会产生磨料的破碎，导致磨料平均粒径
减小，这在磨料冲蚀1100℃烧后试样的过程中成为主要因素，所以磨料粒径的增加对1100℃烧后高强耐火
浇注料的冲蚀磨损率影响不大。
5结论
(1)单个六棱柱体磨料颗粒对靶材中心点的vonmises应力最大值为球体磨料的4倍左右，磨料形状对
冲蚀磨损有很大影响；
(2)随着磨料粒径的增大，靶材中心点的vonmises应力最大值急剧增加；
(3)llo℃烘后高强耐火浇注料的冲蚀磨损率随着磨料粒径的增加而增加，磨料粒径的增加对1100℃
烧后高强耐火浇注料的冲蚀磨损率影响不大。
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