基于ABAQUS的PDC轴承摩擦生热分析
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工 艺 与 装 备
引言
用于井下动力钻具的轴承，工作环境很恶劣，要承受钻井液的研磨、高载荷、高转速及钻井过程中伴随的强大冲击力等，因此对其要求非常苛刻。传统的密封滚柱轴承和泥浆润滑球轴承，因密封失效或腐蚀等原因，一般寿命较短。PDC 轴承因PDC 复合片具有高的热传导率、硬度和耐磨性，工作时间长达上千个小时，已成功代替传统轴承。
但是，PDC 轴承的复合片易因高温而热失效[1]。当温度达到800℃左右时，金刚石与金刚石之间的链接就会被破坏，金刚石开始石墨化。因摩擦面金刚石层的破坏，造成接触面摩擦系数增加，从而产生更多热量，导致金刚石进一步被破坏。室内试验PDC 的复合片失效情况，如图1所示[2]。复合片的早期失效是其边缘石墨化，完全失效的复合片边缘有严重剥落现象，严重影响PDC 轴承的使用寿命。本文通过PDC 轴承的摩擦生热分析，对PDC 轴承的性能进行预测，了解PDC 复合片的温升及高温分布情况，可为PDC
轴承的冷却设计提供参考和依据。
（a）室内试验早期失效 （b）室内试验完全失效
图1 PDC 复合片失效图片
1 摩擦生热分析主要过程1.1 有限元模型建立
PDC 轴承包含动环和静环。动、静环分别由动、静环座和不同数目的PDC 复合片组成。对导入ABAQUS 软件[3]的动静环模型进行几何清理，去除倒角、圆角等。为提高分析精度和计算效率，本文中PDC 复合片采用六面体网格，动静环座采用四面体网格，网格模型如图2
所示。
图2 PDC 轴承有限元模型
为研究问题方便，对PDC 轴承计算模型做如下假设：（1）PDC 轴承材料是均匀的，且各向同性；
（2）材料的物理性能参数（密度、热传导系数、比热、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等）均为常数，不随温度变化而变化；
（3）接触面为理想平面，摩擦符合库仑定律；（4）作用在动环上的压力分布均匀，且保持不变；（5）PDC 轴承在工作过程中的热量完全被PDC 复合片吸收；
（6）接触面和目标面之间热分布的权重系数为0.5，即摩擦热流平均分配给动静环的PDC 复合片。1.2 材料属性及参数
对于PDC 轴承来讲，PDC 复合片为摩擦部件，材料为PCD；动静环座材料为42CrMo。两者的材料属性见表1。
表1 材料性能参数
参数
PCD 42CrMo 密度ρ/（kg/m 3）35107800导热系数k/(W/(m?K))54348比热C/(J/(kg?K))
790452泊松比v 0.070.3弹性模量E/GPa 890209热胀系数α/（1/K）
2.5×10-6
11×10-6
1.3 接触和载荷设置
接触形式为显式面面接触。第一接触面由动环的复合片上表面及柱面和动环座上表面组成，第二接触面由静环
基于ABAQUS 的PDC 轴承摩擦生热分析
张香红
（中石化石油机械股份有限公司江钻事业部，武汉 430223）
摘 要：用于井下动力钻具的PDC 轴承，工作在高载荷、高转速及高研磨性钻井液的恶劣环境，会使PDC 复合片温度因摩擦而快速升高，如不能及时冷却，就会导致复合片热失效。本文应用ABAQUS 软件对PDC 轴承进行摩擦生热分析，得到PDC 复合片上易发生热失效的位置的在其边缘。
关键词：PDC 轴承 ABAQUS 摩擦生热
DOI:10.16107/https://www.wendangku.net/doc/b511550942.html,ki.mmte.2017.0227
abaqus热分析
Abaqus： ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具。 模块： ABAQUS/?ba:kjus/有两个主求解器模块— ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit。ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。 ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。 功能：
静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等 动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析 质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等 耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等 非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等 瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题 准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题 退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟 海洋工程结构分析： 对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟 对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟 对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟 水下冲击分析： 对冲击载荷作用下的水下结构进行分析 柔体多体动力学分析：对机构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑机构运动中的接触和摩擦
基于ABAQUS的热应力分析
1.1基于ABAQUS的热应力分析 1.1.1 温度场数据处理 (1)打开INP_Generator.exe，出现如下软件界面： 图1.数据处理软件 (2)点击“浏览”按钮，选择由FLUENT导出的inp文件所在路径，如下图 所示： 图2.路径选择 (3)点击“生成”按钮，则在inp文件所在路径下自动生成包含多个温度场的 ABAQUS输入文件ABAQUSinputfile.inp。 图3.生成包含连续温度场INP文件
1.1.2 复材工装模板热应力分析 (1)打开ABAQUS，导入inp文件后，打开Tools菜单下“Set - Manager”， 如下图所示。检查是否有名为“PID6”的set，若没有则创建一个名为 “PID*”的set，set为模板整体。（“*”为任意数字或字母） 图4.创建SET (2)打开Plug-ins菜单下“CAC Project - Composite Analyse”，弹出如下界面。 在Step1标签中输入用到的材料名称并选择工作路径；在Step2中定义铺 层信息，可通过右键删除或添加行；按照Step3和Step4的提示，使用 ABAQUS/CAE自身功能完成剩余分析工作。 (a)
(b) (c) 图5.定义材料及铺层 (3)进入Load模块，定义垂直于模板表面平面部分的局部坐标系。选择“Tools” 菜单下“Datum”，Type选择“CSYS”Method选择“3Points”，然后默认点击“Continue”按钮。依次在模板表面选择坐标原点、X轴上点和XY面上的点，生成局部坐标。 图6.定义模板局部坐标系 (4)点击“Create Boundary Condition”按钮，弹出边界条件定义对话框。
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ABAQUS 热分析常用概念介绍 热传递通过热传导、对流和热辐射三种方式实现。 热传导是热量重系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象。模型中有两种方式实现，共点网格和接触对。热阻系数=空气热传导率/空气间隙。 对流是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程，对流是液体和气体中热传递的特有方式，气体的对流现象比液体明显，对流分为自然对流和强迫对流。 辐射是物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领。
热传导分析中的基本物理量 ·温度Temperature 单位℃ ·热能Heat energy 单位J ·热率Heat rate power 单位J/t or W ·热流量Heat Flux = Powerper unit area单位J/t/L2 材料参数介绍
1. CONDUCTIVITY 热传导率用于度量热量在材料中流动的难易程度： 单位：W/m/℃ 在热传递分析中，传导率为必需的材料属性。 2. SPECIFIC HEAT 比热用于度量热能在材料中存储的难易程度： 单位：J/Kg/℃ 3. Emissivity辐射率是衡量一个表面有多接近理想黑体的指标 （0~1）。 边界条件与载荷介绍 边界条件与载荷，在热传导分析中，每个自由度的共轭变量为温度-热率（单位时间的能量流）。 1. 预设的温度*BOUNDARY，包括两种，恒定温度和变化的温度，温度的共轭反作用是热率（热能进入一个已经预设温度值的节点的流通率）。
2. 预设热流量（热率），*CFLUX,节点的集中热流量；*DFLUX，施加在面或体上的分布热流量,*DSFLUX施加在面上的分布热流量。 3. 预设边界层条件最常见的一种边界条件为一个自由表明被紧临的流体加热或降温，关键字*CFILM,施加在节点上；*FILM二维中施加在单元边上，三维中施加在单元面上；*SFILM二维中施加在单元边上；边界层系数h是ABAQUS的一个输入参数，量纲：J/L2*T*θ。 4. 辐射条件*CRADIATE,施加在节点上；*RADIATE,施加在单元上；*SRADIATE，施加在面上，定义辐射边界条件，需要定义 Stefan-Boltzmann常数和绝对零度。 5. 自然边界条件（默认）
abaqus热分析
ABAQUS作为最常用的求解器，具有强大的仿真功能和热分析求解能力。ABAQUS 不仅可以用于热传导分析，还可以用于温度场和其他领域的耦合分析 1.传热 2.耦合温度位移 3.耦合热电分析 4.耦合热电结构分析 ①导热分析 对于热分析，准确定义材料和元素尤为重要。ABAQUS为此分析提供了一个单位（dc3d8）。在材料定义方面，ABAQUS提供电导率，比热，密度等。此外，对于某些特殊效果，可以使用以下材料属性：内部发热（仅ABAQUS /标准）和用户定义的本构响应（ABAQUS）/标准）。此外，ABAQUS提供了电导率，比热，密度，弹性模量（Ex），泊松比等的定义。 根据热分析的类型，ABAQUS提供稳态分析，瞬态分析和非线性分析。
ABAQUS提供各种形式的温度指定，热通量指定，对流边界条件设置，对周围环境的辐射的定义以及自然边界条件和初始条件的设置。 对于热分析中的接触问题，ABAQUS提供了一种热“接触”方式，它通过界面传热，热相互作用，间隙传热和间隙辐射来模拟接触位置的传热。 ②热耦合分析 热应力耦合分析是热分析必不可少的部分。ABAQUS提供了两种方法进行热应力耦合分析，顺序耦合分析和完全耦合分析。顺序耦合分析是先进行热传导分析，然后使用热传导分析的结果进行热应力分析。假定温度会导致热应力，但是应力对温度没有响应。完整的耦合分析考虑了两者之间的相互反应。在热耦合分析中，ABAQUS为不同类型的热耦合分析提供了特殊的耦合元素，并且热传导分析前面的材料，载荷和边界的定义适用于耦合分析。 ③ABAUQS胎面制动的热分析 使用ABAQUS耦合温度位移分析步骤执行完全耦合热分析。