本发明涉及材料表面涂层磨损性能预测领域，特别涉及一种氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法及系统。
背景技术：
1、氢能作为21世纪最有潜力的可持续发展清洁能源，可以助力能源、交通、石化等多个领域实现深度脱碳，加快氢能发展步伐已成为全球共识。但临氢材料所面临的氢损伤问题成为威胁氢能装备安全运行的关键，通过在材料表面制备阻氢涂层，可以在不破坏材料自身机械性能的前提下减缓氢的渗透，进而实现材料氢损伤的防护。然而，诸如氢能承压设备动密封部件所使用的橡胶等聚合物材料，不仅面临氢侵入造成的氢损伤问题，同时面临摩擦磨损造成的失效问题。阻氢涂层在实际工况中会与对磨件之间发生旋转、往复等摩擦接触，不仅会造成涂层的不断磨损，甚至会在剪切力的作用下引发涂层与基底之间的剥落。因此，为确保材料的长久、可靠运行，必须对其表面阻氢涂层的磨损性能进行预测。
2、尽管目前已有部分研究提出了材料或其表面涂层磨损的有限元模拟方案[王贺,靳一帆,王延祥,等.基于abaqus的ain绝缘涂层磨损机理仿真研究[j].机电产品开发与创新,2023,36(4):34-38.]、[王凯模,沈火明,王宇星,等.涂层锆合金包壳管切向微动磨损数值预测模型研究[j].重庆理工大学学报,2024,38(3):117-122.]、[一种基于abaqus的磨损仿真模拟方法202111291454.5]，但其针对材料及部件磨损性能的评估预测手段都是基于abaqus中umeshmotion子程序的磨损仿真模拟方法。这种方法在计算评估单一结构部件或材料的磨损情况和使用性能时较为有效，但在面临多层材料组合模型的磨损模拟时，仅能够获取最上层材料的磨损进程，无法准确反映材料层间结合面在摩擦磨损过程中应力响应和结合状态。因此对于材料表面阻氢涂层在磨损阶段因应力集中和剪切力过大造成的层间剥落行为，无法进行准确的性能预测。此外，由于材料的磨损性能测试通常采用旋转磨损的工况，该工况相较于目前已有文献中所开展的往复磨损运动工况相比，存在严重的非线性边界约束问题，尤其是基底部件与涂层部件的协同旋转约束条件，更加难以进行设置。
3、因此，如何在高度非线性边界约束旋转磨损工况条件下进行涂层磨损计算的同时，引入涂层与基底结合面应力响应运算，是橡胶密封材料表面阻氢涂层磨损性能预测过程中亟需解决的问题。
技术实现思路
1、为了至少解决现有技术存在的问题之一，本发明提供一种高精度的同时考虑涂层磨损深度和应力响应计算的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法。
2、为实现本发明目的，本发明提供的一种氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，包括：
3、建立含橡胶材料基底、基底表面阻氢涂层以及涂层上方对磨件的摩擦磨损有限元模型；
4、建立基底-基底表面阻氢涂层之间叠加摩擦效应的双线性内聚力单元；
5、建立实现基底与基底表面阻氢涂层协同旋转运动的耦合约束条件；
6、基于abaqus-umat用户子程序模块，运用umeshmotion子程序结合ale网格自适应技术对基底表面阻氢涂层进行磨损计算，得到磨损深度；
7、获取求解得到的涂层磨损深度、表面应力和截面应力，以进行涂层磨损性能预测。
8、进一步的，建立所述摩擦磨损有限元模型的步骤为，基于abaqus建立橡胶材料基底、基底表面阻氢涂层以及涂层上方对磨件，分别设置材料属性和划分网格，进行装配之后设置分析步和通用接触属性。
9、进一步的，所述建立基底-基底表面阻氢涂层之间叠加摩擦效应的双线性内聚力单元的方式为，在摩擦磨损有限元模型中的基底和基底表面阻氢涂层之间插入具有叠加摩擦效应的双线性内聚力零厚度粘性界面单元，用以描述基底与基底表面涂层的层间损伤，界面单元的结合强度本构定律如下：
10、幂律分布下混合损伤模式最终有效相对位移δ计算如下：
11、
12、其中β为混合损伤模式参数，δ0为损伤相对位移，k为界面刚度，gnc和gsc分别表示损伤模式i和损伤模式ii的临界值，k为常数；
13、当考虑摩擦效应时，内聚力的法向分量和切向分量由下式给出：
14、
15、其中为平均法向相对位移，d为损伤变量，为平均切向相对位移矢量，tt,f表示因摩擦效应作用于界面损伤部分的剪切应力。
16、进一步的，因摩擦效应作用于界面损伤部分的剪切应力tt,f的表达式为
17、tt,f＝dtt,f (11)
18、其中
19、
20、其中，μ是摩擦系数，ζ为常数，s表示滑动率，x为摩擦效应作用下剪切模式中最大有效分离量，g(x)为摩擦效应作用下的损伤变量，tt,f为指界面摩擦牵引力。
21、进一步的，所述建立实现基底与基底表面阻氢涂层协同旋转运动的耦合约束条件为：首先在基底下部预设范围区域上设置参考点，以垂直于基底平面的轴线为z方向，将该预设范围区域与参考点进行耦合约束，并设置沿z方向旋转的角速度。
22、进一步的，在预设范围区域的中心位置处设置参考点。
23、进一步的，所述预设范围区域为在基底厚度最下方的10％～15％区域。
24、进一步的，所述基于abaqus-umat用户子程序模块，运用umeshmotion子程序结合ale网格自适应技术对阻氢涂层进行磨损计算具体为：
25、子程序采用archard磨损模型：
26、
27、其中，v表示材料的磨损体积，σ为磨损系数，a为接触单元之间的相对滑动距离，f为磨损接触点的法向载荷，h表示材料的硬度，将式(5)两边除以磨损接触面积a，得到：
28、
29、其中，h表示磨损深度，p表示接触压力，λ为比磨损率；
30、为了从磨损接触节点处的接触压力获得磨损深度，需要在局部尺度重定义archard公式，此外，由于磨损是一个动态过程，可以得到随时间变化微分的archard公式：
31、
32、其中，dt是对磨件移动的无穷小时间，v是滑动速度，使用欧拉积分对式(7)在滑动时间上进行积分，以获得给定磨损周期的每个磨损接触节点处的磨损深度：
33、hi+1＝hi+λvpiδt (16)
34、其中hi和hi+1是给定接触节点在第i和i+1磨损循环增量时的磨损深度，pi是接触节点处的接触压力，δt是计算时间步长；
35、在计算得到每个循环增量时的单个磨损节点磨损深度后，运用ale网格自适应技术对磨损节点及其下方的节点位置进行重构，以获得平滑的磨损轮廓。
36、进一步的，所述获取求解得到的涂层磨损深度、表面应力和截面应力，进行涂层磨损性能预测具体为：在橡胶材料基底和基底表面阻氢涂层与上方对磨件发生接触并产生相对位移的过程中，结合内聚力单元的本构和磨损的本构同步计算获得涂层磨损深度、表面应力和截面应力数据，以此进行涂层磨损性能预测。
37、本发明还提供一种氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测系统，用于实现前述方法，所述系统包括以下模块：
38、摩擦磨损模型建立模块，用于建立含橡胶材料基底、基底表面阻氢涂层以及涂层上方对磨件的摩擦磨损有限元模型；
39、内聚力单元建立模块，用于建立基底-基底表面阻氢涂层之间叠加摩擦效应的双线性内聚力单元；
40、约束条件建立模块，用于建立实现基底与基底表面阻氢涂层协同旋转运动的耦合约束条件；
41、磨损计算模块，用于基于abaqus-umat用户子程序模块，运用umeshmotion子程序结合ale网格自适应技术对基底表面阻氢涂层进行磨损计算，得到磨损深度；
42、预测模块，用于获取求解得到的涂层磨损深度、表面应力和截面应力，以进行涂层磨损性能预测。
43、与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：
44、一、本发明建立基底-阻氢涂层之间叠加摩擦效应的双线性内聚力单元，通过定义界面单元的结合强度本构定律，可以准确预测基底与涂层的层间损伤以及界面单元的结合强度变化；
45、二、本发明通过将基底下部预设区域与区域参考点耦合，并定义旋转约束条件，实现了基底部件与涂层部件协同旋转运动状态的同时不会影响到上方涂层-基体界面的应力相应准确度，准确实现了旋转磨损工况的模拟；
46、三、本发明基于运用umeshmotion子程序结合ale网格自适应技术，准确预测涂层在磨损阶段表面的磨损深度，通过结合涂层表面应力和截面应力响应结果，准确反映和预测涂层的磨损行为。
1.一种氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，建立所述摩擦磨损有限元模型的步骤为，基于abaqus建立橡胶材料基底、基底表面阻氢涂层以及涂层上方对磨件，分别设置材料属性和划分网格，进行装配之后设置分析步和通用接触属性。
3.根据权利要求1所述的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，所述建立基底-基底表面阻氢涂层之间叠加摩擦效应的双线性内聚力单元的方式为，在摩擦磨损有限元模型中的基底和基底表面阻氢涂层之间插入具有叠加摩擦效应的双线性内聚力零厚度粘性界面单元，用以描述基底与基底表面涂层的层间损伤，界面单元的结合强度本构定律如下：
4.根据权利要求3所述的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，因摩擦效应作用于界面损伤部分的剪切应力tt,f的表达式为
5.根据权利要求1-4任一所述的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，所述建立实现基底与基底表面阻氢涂层协同旋转运动的耦合约束条件为：首先在基底下部预设范围区域上设置参考点，以垂直于基底平面的轴线为z方向，将该预设范围区域与参考点进行耦合约束，并设置沿z方向旋转的角速度。
6.根据权利要求5所述的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，在预设范围区域的中心位置处设置参考点。
7.根据权利要求5所述的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，所述预设范围区域为在基底厚度最下方的10％～15％区域。
8.根据权利要求3所述的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，所述基于abaqus-umat用户子程序模块，运用umeshmotion子程序结合ale网格自适应技术对基底表面阻氢涂层进行磨损计算具体为：
9.根据权利要求8所述的氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测方法，其特征在于，所述获取求解得到的涂层磨损深度、表面应力和截面应力，进行涂层磨损性能预测具体为：在橡胶材料基底和基底表面阻氢涂层与上方对磨件发生接触并产生相对位移的过程中，结合内聚力单元的本构和磨损的本构同步计算获得涂层磨损深度、表面应力和截面应力数据，以此进行涂层磨损性能预测。
10.一种氢能装备用橡胶动密封阻氢涂层磨损性能预测系统，其特征在于，用于实现权利要求1-9任一所述的方法，所述系统包括以下模块：
