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摘要 ：机器管道、涡轮机叶片等机器关键部件受到气 体、固体颗粒、浆料等的冲击，会造成大量的冲蚀磨损，降 低材料的使用寿命与安全系数。冲蚀磨损主要是受到固体 颗粒、气- 固、液- 固等的冲击造成，如何能有效的评估冲 蚀磨损情况，预测零件的使用寿命、选择合适的材料是研 究的主要难题。本文介绍了固体颗粒对材料的冲蚀磨损机 制，并引入了固体颗粒的入射角、速度、冲蚀时间、性能、 温度和靶材性能等因素，分别对冲蚀磨损情况进行总结。 文章采用优化方法进行建模，克服现有实验的难点，提升 材料研究周期，降低研究成本。本文介绍了国内外冲蚀磨 损数值模拟研究现状，选择Johnson-Cook模型作为材料的 本构模型和失效模型，讲述了不同种情况下单粒子和多粒 子的冲蚀模拟研究，并对冲蚀磨损下一阶段研究工作方向 和存在的问题进行了阐述。
关键词 ：冲蚀磨损,性能特点,有限元数学建模,FEM
生活中存在着各种摩擦，而摩擦必然会导致磨损。冲蚀磨损是一种常见的磨损现象，广泛存在于自然界和社会 生产生活中。比如在采矿机器的气动输送管道中，物料对 管道壁的磨损，尤其是弯头处更为严重 ;或者炼钢炉输气 管道被燃烧的灰尘冲蚀 ;喷砂机的喷嘴受到砂粒的冲蚀 ; 还有航空飞机涡轮盘受到风沙等砂粒的冲刷磨损等等。据 统计，冲蚀磨损约占总磨损的 8%。而在管道输送物料过程 中，弯头处的冲蚀磨损占直通部分磨损的 50倍 ;在对锅炉 管道的失效分析中，约有 1/3 的管道事故是由冲蚀磨损引 起的。此外，在航空飞机起飞或降落以及风沙多发地区低 空飞行时，发动机的热端部位如涡轮盘会遭受到超高速、 小粒径的较低通量冲刷磨损，此种情况下的运行温度可达 550℃至 900℃, 被称为高温高速冲刷磨损。因此，冲蚀磨 损在工业生产中造成了严重的损失和危害。因此，对冲蚀 磨损机理进行分析，并对材料所受的磨损情况进行预估研 究非常重要。
冲蚀磨损是指材料在受到小而松散的流动颗粒冲击时 表面发生破坏的磨损现象。根据颗粒及其携带的介质的不 同，冲蚀磨损可分为固体颗粒冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、 液滴冲蚀和气蚀等类型。
早在20世纪40 年代以来，人们就开始对冲蚀磨损进行系统的研究。早期的研究主要从冲蚀磨损的规律和各种 因素对冲蚀磨损的影响进行了探讨。而对冲蚀磨损机理的 研究则是近 30年左右才开始发展起来。通过对冲蚀实验的 总结与分析，研究人员得出了多种特定条件下的冲蚀磨损 机理理论，并对不同材料下的冲蚀磨损现象进行了解释。 文章系统的阐述了具有较深影响力的可以完整表现冲蚀 磨损现象的数值模拟方式进行了总结。
1 冲蚀磨损机理
冲蚀是一种磨损形式，涉及由固体或液体颗粒对物体 表面的影响而引起的表面材料损失。冲击颗粒通过反复变 形和切割动作逐渐从表面上去除材料。冲蚀磨损是一个 连续发展的过程，由于外界环境的变化，冲蚀过程是不断 变化的。研究者们希望能完美的解释冲蚀磨损现象，因而 Hutching、Bitter、Finnie、Levy等人的研究为冲蚀磨损现象 的解释做出了卓越的贡献。文章介绍了具有代表意义的冲 蚀磨损机理。
1958年，Finnie提出了冲蚀微切削理论，这一理论是以 刚性粒子冲击塑性材料表面的定量表达冲蚀率和入射角关 系的。Finnie假定 ：粒子在冲击时不开裂、不变形而且宽度 不变，粒子上作用力的水平分量与垂直分量的比例不变， 切削过程中粒子的表面接触高度与切削深度之比不变。因 此模型结果与实验结果不可能完全一致，但是至少在入射 角为20°时冲蚀率出现极大值是准确的。Finnie用铜、低碳 钢及铝等材料证明在小入射角的情况下，理论曲线与实验 值是相符合的。但是在大入射角冲蚀上实验结果与模型结 果不一致。
1963 年，Bitter提出了冲蚀变形理论，利用冲蚀能量平 衡原理来描述当颗粒冲击表面时可能出现的弹性或塑性 变形， 这取决于冲击力是否达到材料的屈服强度。
在固液两相流中，颗粒冲蚀现象主要由两个时间段的 颗粒冲击引起。首先，大颗粒冲击硬质金属壁，然后反弹 的颗粒会随液流集中撞击到一个特定的区域上。早在很多 年前就有研究发现初次颗粒撞击对冲蚀现象的影响最大， 而反弹颗粒造成的影响并不明显。然而，Haider等人在研 究颗粒速度较高时发现，每次颗粒撞击试样后的反弹撞击 试样板，他们利用粒子跟踪测速技术创建了一个与粒子反弹相关的研究模型， 然后用于计算第二个试样的损伤率。
20世纪 70 年代末期，Levy等人提出了冲蚀的挤压锻 造理论。其理论根据不同冷加工状态的碳钢具有不同的初 始冲蚀率，经过充分冲蚀后可达到稳态即具有相同的冲蚀 率。另外，冲蚀磨屑均成鳞片状，冲蚀表层具有较低的硬 度。冲蚀相当于锻打过程。在严重塑性变形后，表面呈片 屑剥落，冲蚀后表层硬度呈现层状分布。表层下的高硬度 区相当于砧块，入射粒子如同锻锤，低硬度表层因退火而 软化。
2 数值模拟分析
冲蚀磨损是气体、固体粒子、液体等以一定的角度和 速度对材料表面进行冲击，使材料表面产生磨损的现象。 由于冲蚀磨损影响因素复杂，为了能更好的表达材料在特 定条件下的抗冲蚀能力，缩短试验周期，更快的找到抗冲 蚀材料。如 C2r6 在小角度的冲蚀条件下其冲蚀磨损性能要 优于铸铁及结构钢，但是在高角度的冲蚀条件下，其磨损 性能却很差。这就表明用单一试验条件下的材料的冲蚀磨 损率作为材料冲蚀磨损特性，其比较是不全面的，有时甚 至可能导致南辕北辙的结果。在实际工程选材过程中必需 综合考虑冲蚀磨损条件和材料性能以及工程造价等因素。 因此采用计算机模拟的方式来表示冲蚀现象，才能选择合 适的耐磨材料以达到延长机械的工作寿命，提高工作效 率，减少经济损失的目的。
2.1 二维平面算法模拟
K.Shimizu等人通过试验和数值模拟的方法研究低碳 钢和球墨铸铁FDI 的固体颗粒冲蚀，Chen 和Li 采用微观 动态仿真模型调查了固体颗粒的形状对冲蚀磨损的影响， li采用二维任意的拉格朗日欧拉ALE 方法模拟了铝金属靶 材被铝颗粒冲击变形情况。
Q.Chen,D.Y.Li在SPH+FEM 的基础上设计了MSDM模 型在原子模拟和宏观模型上进行模拟，他们在牛顿运动定 理的基础上，采用正方形网格对碳化硅颗粒和纯铜靶材进 行有限元划分，并进行模拟，采用二维平面网格模拟方式， 通过颗粒撞击引起网格变形程度来表达材料的模拟情况。
二维平面模拟最大的优点是有限元网格划分非常精 细并且耗费的计算时间很少。但这种算法必须遵从平面 应变，平面应力等假设或者建立轴对称模型，很难对冲蚀 率进行计算和对多个冲蚀物颗粒冲蚀情况建模。使用欧拉 法，将工件计算网格固定于几何空间，材料可以通过单元 格流通，通过计算单元质量、动量和能量的变化，从而确 定物体的变形。但是这种方法无法跟踪物质的变形并确定 材料的界面位置， 无法精确计算材料的弹塑性效应。
2.2 三维颗粒冲蚀模拟
在冲击试验分析中，靶材和颗粒都会经历剧烈的塑性 变形。若要比较完整的表达在冲击变形过程中材料表面的 塑性变形问题，单单使用二维平面算法进行模拟已经无法 满足需求， 因此需要进行三维颗粒冲击模拟。
J.F. Molinari, M. Ortiz等人通过模拟高强度钢的球形颗 粒对软钢靶板的撞击，来描述有限变形、应变硬化、热软 化、速度敏感性、摩擦力接触的现象，分析揭示材料的塑 性流动，摩擦和热剪切引起的相对作用。他们用 3D建模 来描述在 0° ~90°的冲蚀角和 0~310m/s 的冲蚀速度改 变下的冲蚀的过程，对冲击变形的情况更多的依赖于有限 元模拟中的网格适应情况，因此他们采用精细化的网格划 分， 以及有限元分析软件的自适应情况。
M•Papini等人对球形颗粒冲蚀平坦表面并反弹过程中 的干扰构建了数值模型，该模型能反映入射角、喷嘴发散 角、入射粒子速度、通量、粒径、粒子—粒子、粒子—表面 冲击参数等参数对粒子间碰撞的程度和频率的影响，建立 超过 104个颗粒对表面的碰撞模型。
无网格法对冲击动力学问题的计算主要体现在光滑粒 子流体动力学方法 SPH。SPH法的自适应性能让其很容易 处理冲击大变形问题，但算法存在一定缺陷 ：①拉伸的不 稳定性 ;②难以施加边界条件 ;③计算效率低。因此耦合 SPH 和FEM 是现在计算冲击动力学的有效算法。Attaway 等人和John-son等人分别提出了各自的算法，但两者都是 基于有限元处理接触问题的思想，在每个时间步检测 SPH 粒子对有限单元的穿透情况，如果要避免穿透，则必须对 有关粒子和有限单元进行调整，因此在每个时间步都要确 定接触面和界面的法线方向， 计算量比较大。
3 模拟建模分析
常规的冲蚀磨损通常是建立一个单一的模型来进行研 究复杂的冲蚀问题，例如，在研究钢板受到颗粒冲击的现 象时采用单颗粒冲击模型来处理冲击大变形问题，这在进 行冲蚀损伤模拟时会因迭代耦合过程不准确而导致结果 的不吻合。我们采用 CFD-DEM来对多相流的水流沙冲击 管道壁冲蚀损伤过程进行模拟，耦合过程主要依赖于 CFD 和DEM 两个独立求解器之间的结果数据交换和流场的信 息更新。
在构建冲蚀模型时让颗粒在第一次撞击以后回弹方向 与壁面 90°角的撞击的回弹特性设置为了初始条件，可以 在模拟中为了避免非物理粒子轨迹的变化，采用圆形的结 构。我们知道利用网格划分进行区分能够很好的提高其计 算的准确度和效率，我们通过对颗粒的运动轨迹的分析，侧面网格尺寸也增加。在冲击过程中，材料内部发生的应 力应变情况的变化是靶材表面的损伤导致的。所以选用了 张等人采用的冲蚀模型，该模型将影响因素和冲蚀情况进 行关联，并验证处理在各种条件和不同形状下的冲蚀损伤 的量。通过前期对阀门各部分的损伤情况进行研究，所以 着重对某个位置的冲蚀情况进行分析。对于模拟情况，在 无滑移条件下，在入口处均匀的注入280000颗粒。管道的 状态变形处，颗粒速度会导致更高的冲击速度，其次，较 小的颗粒为管道内的颗粒扩散提供了更多的运动空间，这 将导致了冲击现象更加集中。这样我们建立了颗粒与颗粒 之间互相撞击的数值模型，通过对颗粒之间的撞击后的速 度和方向进行分析，得到两者之间的运动方程，通过运动 方程的求解可以得到撞击后颗粒的新运动方向和速度。之 后解析颗粒之间的运动方程得到颗粒的运动和轨迹，之后 通过LS-DYNA建立颗粒与靶材之间的撞击模型。通过对 靶材表面的应力变化情况，研究在撞击后材料表面的状态 变化情况。
本次研究的模拟环境为固体材料以不同的角度冲击 管材表面的冲蚀损伤。靶材选用 6063 铝合金材料，粒子选 用 SiC。分别在不同材料应力环境中对冲蚀情况进行模拟， 冲击角度为 30°, 冲击速度为 100m/s，颗粒将以 30°的角 度撞击靶材表面时，其在靶材表面形成了沿速度方向集中 的应力集中点，因此当此处的应力值超过了材料的强度极 限时，材料表面会产生切削损伤现象。在多颗粒多角度冲 击材料表面时，撞击时的角度不断增大的时候，其内部应 力变化值也会逐渐的增大。而在角度减小时，其内部应力 变化值在减小。这是因为当材料表面首先受到垂直方向的 压力时，会在材料表面造成应变硬化，增大材料表层的强 硬度降低塑性，这有助于材料抵抗后续小角度颗粒对材料 表面撞击造成的损伤。当颗粒率先以小角度的方式撞击了 材料表面，后续的大角度撞击则更容易在材料表面造成损 伤。当靶材表面受到多颗粒、复杂的角度去冲击时，材料 受到的损伤成都比较难以辨别的，因此同时我们还需要对 材料受到大颗粒冲击的位置进行单颗粒的模拟分析。通过 表面受到的应力分布图来表征材料的损伤情况。
4 总结与展望
材料现阶段的冲蚀理论并不能完全解释所有条件下 的冲蚀情况， 而且冲蚀现象是复杂的， 所以并没有一个普 遍适用的理论模型来模拟材料的抗冲蚀能力，冲蚀机理 和冲蚀模拟还必须继续研究。冲蚀磨损是指材料表面在多方向、多通量及小粒径颗粒的冲击下受到破坏而产生 损耗的一种磨损方式。其损伤情况因材料本身和环境的 复杂多变而难以捕捉。不同大小的颗粒对壁面造成不同 的损伤， 当然颗粒越大越容易造成损伤。我们可以结合颗 粒轨迹运动来分析得出粒子最初是跟随流体的方向共同 运动， 随着活动空间的变化， 大颗粒主要是对转弯处附近 的壁面形成损伤。颗粒的回弹也为颗粒撞击壁面提供了 区别于初始粒子的撞击角度，不同的冲击角度对材料的 损伤情况造成了影响。
为了确保冲蚀实验尽可能的还原实际中的冲蚀情况， 因而采用的冲蚀颗粒要以实际使用的颗粒为准，或者性能 类似的材料。预测材料的冲蚀性能时，不能只使用单一的 或者有限的几个目标量来作为判断变量，而应当对影响因 素中的各个变量在冲蚀过程中的影响比率来对其进行分 析，这样得到的冲蚀率要更精确。
冲蚀的损伤情况会周到颗粒的回弹的影响，其主要通 过材料的撞击角度的不同进而对损伤情况造成影响。我们 根据有限元分析结果之后知道受到固体颗粒撞击后的材 料会使得材料表面产生了塑性变形，在第一颗粒撞击材料 表面时，根据力的方向不同，材料表面产生的加工硬化的 程度也是不一样的。颗粒运动方向与壁面之间行形成的角 度越大，那么加工硬化影响越大，随着角度的减小冲蚀损 伤量也会同步减小。
由于冲蚀现象是一个变化的过程， 冲蚀颗粒不单单是直 接冲击到试验表面， 更可能会互相影响， 在第一次冲击后， 破碎弹起落下进行第二次冲击等。靶材在冲击过程中受到 颗粒打击或者温度等因素的影响，靶材的表面层性能、组 织都会发生变化。现有的冲蚀模拟对这些复杂的变化并没 有体现出来，未来冲蚀模拟应当将材料的弹塑性变化、温 度、角度、速率等因素都结合起来，而且每次冲击变形后 要对靶材进行重划分网格。以确保材料冲蚀模拟更能完整 的表现材料的冲蚀情况。冲蚀模拟要设计一个完整程序， 能形成一个完整的材料抗冲蚀磨损判定标准，能很快辨别 材料的抗冲蚀性能。
(作者单位 ：吕梁职业技术学院)
基金项目 ：课题名称 ：铝合金的颗粒冲蚀磨损研究 (LLZY202102007)。
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