一种湿式摩擦副滑摩过程润滑流场分布特性建模方法与流程

本发明涉及一种旋转摩擦副间流场分布特性研究领域，特别是关于一种湿式摩擦副滑摩过程润滑流场分布特性建模方法。

背景技术：

湿式摩擦副广泛应用于湿式离合器、湿式制动器、液黏调速离合器等传动部件中，湿式摩擦副是摩擦副表面有油液冷却及润滑的摩擦副，较干式摩擦副有着磨损小、工作寿命长、控制简单、结合平稳、转矩容量大、性能稳定、噪声低等诸多优点。伴随着汽车工业的飞速发展以及科学技术的进步，民用轻型汽车在朝着操作舒适性、行车安全性以及燃油经济性等方向发展，重型军工车辆在朝着高紧凑性、高可靠性、高功率方向发展。作为变速器核心部件的湿式离合器凭借其优点和自身特性迎合了车辆的发展方向，而被广泛应用于综合传动装置。综合传动装置决定着整车的机动性能，尤其在重型军车领域，对综合传动装置的可靠性和耐久性提出了很高的要求。

湿式摩擦副的优劣直接影响到传动装置的工作效率以及使用寿命等诸多方面，采用cfd(计算流体力学)技术对湿式摩擦副润滑流场分布特性进行分析研究，并通过数值仿真计算实现流场影响因素的分析，可提前预测流场的变化以及摩擦过程中可能出现的润滑问题，能够有效克服润滑流量和润滑压力设计不当带来的不确定性，显著提高设计效率，减少经济损失。

目前国内外学者大多采用数值模拟的方法来研究润滑流场速度场、温度场与压力场等流场特性，一般应用商业建模软件、前处理软件和fluent软件联合仿真模拟旋转流体，在进行数值仿真模拟时，能否精确生成网格是一个重要问题，根据湿式摩擦副实际工作情况合理恰当地施加物理边界条件也占据着非常重要的地位。现今针对湿式摩擦副润滑流场还未有在abaqus软件中进行仿真计算的案例，大多是基于其他商业软件模拟仿真，因此，急需提出一种在abaqus软件中对湿式摩擦副润滑流场仿真建模的方法，以应用其强大的非线性计算功能来计算湿式摩擦副润滑流场流固耦合传热等复杂工程问题，进而指导解决湿式摩擦副实际工作中存在的问题，优化湿式摩擦副结构设计等。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种湿式摩擦副滑摩过程润滑流场分布特性建模方法，其能克服现有润滑流场特性仿真方法的局限，能分析不同工况下润滑流场的流场特性，及在不同工况下，润滑流场对湿式摩擦副应力应变场的影响。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种湿式摩擦副滑摩过程润滑流场分布特性建模方法，其包括以下步骤：1)建立湿式摩擦副实体模型和润滑流场模型；2)设置装配体：湿式摩擦副实体模型和润滑流场实体模型分别选择各自的部件进行装配；3)网格划分：划分网格之前分别对湿式摩擦副实体模型和润滑流场实体模型沿相同切割面进行虚面切割，绘制规整网格，两个模型接触边布置相同数目种子，相同的切割面以及接触面的相同种子数以保证两个模型耦合计算过程中进行良好的数据交换；4)设置分析步及场输出：首先指定分析步的类型，润滑流场模型为cfd类型，选择flow分析步类型；对湿式摩擦副进行显式动态分析，故选择dynamic，explicit分析步类型，两模型设置相同的分析步时间以进行耦合计算；5)为湿式摩擦副实体模型和润滑流场模型施加边界条件；6)设置湿式摩擦副实体模型与润滑流场实体模型之间的相互耦合作用；7)流场特性分析：包括润滑流场的流速及压力场分析；8)根据湿式摩擦副润滑流场仿真结果，润滑油流场流速分布云图与压力分布云图具有对应关系，油槽出油口处油液流速较大而压力较小，内圈油槽内油液流速较小而压力较大，流场流速与压力分布随时间增加均有不同程度的增加趋势，且有明显的分布不均匀现象；润滑流场对湿式摩擦副影响效果较为微小；湿式摩擦副润滑流场在相同的润滑油压条件下，同一时刻流场流速与压力随湿式摩擦副转速的增加而增大，且变化趋势一致。

进一步，所述步骤1)中，根据湿式摩擦副内外径实际尺寸建立具有四个径向油槽的简化湿式摩擦副实体模型，模型类型为standard&explicit，先将湿式摩擦副绘制为一个整体，后沿摩擦片与钢片接触面进行虚面切割，然后根据湿式摩擦副模型油槽尺寸绘制摩擦副油槽。

进一步，所述步骤1)中，根据湿式摩擦副模型油槽尺寸绘制模型类型为cfd的润滑流场模型，并根据润滑油的物理性质设置润滑流场模型的材料属性。

进一步，所述步骤4)中，根据模型计算所要获得的计算量选择场输出变量，针对润滑流场需获取流场流速、流场压力计算量，针对湿式摩擦副关注其应力应变变化量。

进一步，所述步骤5)中，润滑流场实体模型的边界条件包括进口油压和出口油压，湿式摩擦副实体模型的边界条件包括六个方向的自由度，设置摩擦片背面x、y、z方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，湿式摩擦副绕z轴的转速700r/min，约为72.8rad/s。

进一步，所述步骤6)中，设置湿式摩擦副实体模型与润滑流场实体模型之间的相互耦合作用：分别在各自的模型区域内设置相互作用面，选择相互接触的表面，设置相互作用类型为fluid-structureco-simulation，在固体域与流体域之间进行实时数据交换，湿式摩擦副滑摩过程中，摩擦副带动摩擦副片间润滑油液作旋转运动，与此同时润滑油液对摩擦副具有一定的反作用，湿式摩擦副与润滑油液在滑摩过程中相互作用。

进一步，所述步骤7)中，流场特性分析：根据湿式摩擦副实际工况在模型边界条件处设置相应的润滑油入口油压，湿式摩擦副转速，进而分析湿式摩擦副在不同工况下润滑流场的流速、压力变化情况。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明建立的模型为流固耦合模型，即湿式摩擦副与润滑流场相互耦合作用模型，可分析不同工况下润滑流场的流场特性，及在不同工况下，润滑流场对湿式摩擦副应力应变场的影响。2、本发明基于具有良好非线性计算能力的有限元软件abaqus，对湿式摩擦副与湿式摩擦副间润滑流场进行三维数值建模，分析润滑流场特性及其影响因素，以及通过流固耦合作用，分析润滑流场对湿式摩擦副应力应变场的影响。3、本发明是基于abaqus软件流固耦合模块建立的湿式摩擦副流固耦合模型，对湿式摩擦副进行参数化建模，采用结构化网格划分技术绘制六面体网格，对湿式摩擦副间润滑流场进行三维建模，根据湿式摩擦副实际工况，合理设置湿式摩擦副模型润滑流场模型边界条件，得出数值模拟结果，分析润滑流场特性以及润滑流场的影响因素，并分析润滑流场对湿式摩擦副应力应变场的影响。4、本发明克服了现有润滑流场特性仿真方法的局限，通过湿式摩擦副与润滑流场相互耦合作用，进而代替一般流场仿真中对流场旋转边界条件的施加，同时根据湿式摩擦副实际工况，合理设置模型的其他边界条件，进而得出切合实际的数值模拟结果，分析湿式摩擦副中的润滑流场特性及润滑流场的影响因素，以及润滑流场对湿式摩擦副的影响作用。

附图说明

图1为具有四个径向油槽的湿式摩擦副三维实体模型；

图2为湿式摩擦副片间润滑油液流场模型；

图3为湿式摩擦副实体模型的网格划分；

图4为湿式摩擦副片间润滑油液流场网格划分；

图5为摩擦片背面耦合约束的湿式摩擦副实体模型基本边界条件加载图；

图6为湿式摩擦副片间润滑油液流场基本边界加载图；

图7为湿式摩擦副实体模型与润滑油液流场耦合接触面示意图；

图8为润滑油液流场与湿式摩擦副耦合接触面示意图；

图9a为0.06s时润滑油液流场流速矢量图；

图9b为0.08s时润滑油液流场流速矢量图；

图9c为0.1s时润滑油液流场流速矢量图；

图9d为0.12s时润滑油液流场流速矢量图；

图10a为0.06s时润滑油液流场流速云图；

图10b为0.08s时润滑油液流场流速云图；

图10c为0.1s时润滑油液流场流速云图；

图10d为0.12s时润滑油液流场流速云图；

图11a为0.06s时润滑油液流场压力图；

图11b为0.08s时润滑油液流场压力图；

图11c为0.1s时润滑油液流场压力图；

图11d为0.12s时润滑油液流场压力图；

图12a为0.06s时湿式摩擦副摩擦片应力图；

图12b为0.08s时湿式摩擦副摩擦片应力图；

图12c为0.1s时湿式摩擦副摩擦片应力图；

图12d为0.12s时湿式摩擦副摩擦片应力图；

图13a为0.06s时湿式摩擦副钢片应力图；

图13b为0.08s时湿式摩擦副钢片应力图；

图13c为0.1s时湿式摩擦副钢片应力图；

图13d为0.12s时湿式摩擦副钢片应力图；

图14a为湿式摩擦副入口油压为500pa转速分别为500rpm工况下润滑流场流速分布云图；

图14b为湿式摩擦副入口油压为500pa转速分别为700rpm工况下润滑流场流速分布云图；

图14c为湿式摩擦副入口油压为500pa转速分别为1000rpm工况下润滑流场流速分布云图；

图14d为湿式摩擦副入口油压为500pa转速分别为1200rpm工况下润滑流场流速分布云图；

图15a为湿式摩擦副入口油压为500pa转速分别为500rpm工况下润滑流场压力分布云图；

图15b为湿式摩擦副入口油压为500pa转速分别为700rpm工况下润滑流场压力分布云图；

图15c为湿式摩擦副入口油压为500pa转速分别为1000rpm工况下润滑流场压力分布云图；

图15d为湿式摩擦副入口油压为500pa转速分别为1200rpm工况下润滑流场压力分布云图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种湿式摩擦副滑摩过程润滑流场分布特性建模方法，该方法基于abaqus软件平台，其主要包括绘制模型部件、设置部件材料属性、对部件进行装配、划分网格、设置分析步、设置模型相互作用、施加载荷及设置边界条件、提交计算及后处理，具体步骤如下：

1)建立湿式摩擦副实体模型和润滑流场模型：

根据湿式摩擦副内外径实际尺寸建立具有四个径向油槽的简化湿式摩擦副实体模型，模型类型为standard&explicit，先将湿式摩擦副绘制为一个整体，后沿摩擦片与钢片接触面进行虚面切割，以便后续分别设置摩擦片与钢片的材料属性，然后根据湿式摩擦副模型油槽尺寸绘制摩擦副油槽；

根据湿式摩擦副模型油槽尺寸绘制模型类型为cfd的润滑流场模型，并根据润滑油的物理性质设置润滑流场模型的材料属性。

如图1和图2所示，为湿式摩擦副实体模型和润滑流场实体模型示意图。湿式摩擦副实体模型由摩擦片和钢片组成，类型为deformable，润滑流场模型在cfd模块中建立。

2)设置装配体：由于湿式摩擦副实体模型和润滑流场实体模型分别只有一个部件，故只需分别选择各自的部件进行装配即可。

3)网格划分：

划分网格之前分别对湿式摩擦副实体模型和润滑流场实体模型沿相同切割面进行虚面切割，以便精准布置网格种子，绘制规整网格，两个模型接触边布置相同数目种子，相同的切割面以及接触面的相同种子数以保证两个模型耦合计算过程中进行良好的数据交换；

如图3和图4所示，为湿式摩擦副实体模型和润滑流场实体模型的网格划分，湿式摩擦副实体模型采用六面体结构化网格c3d8r类型，润滑流场模型采用四面体自由网格fc3d4类型。

4)设置分析步及场输出：

设置分析步以描述模型加载变化的过程，首先指定分析步的类型，润滑流场模型为cfd类型，选择flow分析步类型；对湿式摩擦副进行显式动态分析，故选择dynamic，explicit分析步类型，两模型设置相同的分析步时间以进行耦合计算；

根据模型计算所要获得的计算量选择场输出变量，针对润滑流场主要需获取流场流速、流场压力等计算量，针对湿式摩擦副主要需关注其应力应变等变化量，以便后续对仿真计算结果进行分析。

5)施加边界条件：

润滑流场实体模型的边界条件包括进口油压和出口油压，湿式摩擦副实体模型的边界条件包括六个方向的自由度，设置摩擦片背面x、y、z方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，湿式摩擦副绕z轴的转速700r/min，约为72.8rad/s。

具体设置如图5和图6所示，为湿式摩擦副实体模型和润滑流场模型基本边界条件的施加，设置摩擦片背面与其中心参考点进行耦合，进而加载摩擦片背面x、y、z方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，设置摩擦片内径与其中心点耦合，进而加载湿式摩擦副绕z轴的转速72.8rad/s；设置润滑流场的边界条件，包括入口油压和出口油压。

6)设置湿式摩擦副实体模型与润滑流场实体模型之间的相互耦合作用：分别在各自的模型区域内设置相互作用面，选择相互接触的表面，设置相互作用类型为fluid-structureco-simulation，即在仿真计算过程中，固体域与流体域之间进行实时数据交换，从而对湿式摩擦副滑摩过程的仿真模拟更加贴近其实际工作状态，湿式摩擦副滑摩过程中，摩擦副带动摩擦副片间润滑油液作旋转运动，与此同时润滑油液对摩擦副具有一定的反作用，湿式摩擦副与润滑油液在滑摩过程中相互作用。

如图7和图8所示，为湿式摩擦副和润滑流场相互接触的表面，分别选择图中所示表面设置相互耦合作用面，相互作用类型为fluid-structureco-simulation。

7)流场特性分析：主要包括润滑流场的流速及压力场分析，为使仿真更加贴近湿式摩擦副实际工作状况，可根据湿式摩擦副实际工况在模型边界条件处设置相应的润滑油入口油压，湿式摩擦副转速等，进而分析湿式摩擦副在不同工况下润滑流场的流速、压力等变化情况。

在一个优选的实施例中，列举仿真计算了湿式摩擦副在一般工况和一定润滑油压不同转速工况条件下润滑流场的流场特性。

如图9a～图9d、图10a～图10d和图11a～图11d所示，为仿真湿式摩擦副一般工况下所得的润滑流场特性分布情况，如图9a～图9d为0.06s、0.08s、0.1s和0.12s时润滑流场的流速矢量图，图10a～图10d为0.06s、0.08s、0.1s和0.12s时润滑流场的流速分布云图，图11a～图11d为0.06s、0.08s、0.1s和0.12s时润滑流场的压力分布云图；如图12a～图12d和图13a～图13d所示，为该工况下湿式摩擦副与润滑流场耦合计算所得的相对应的湿式摩擦副计算结果，图12a～图12d为0.06s、0.08s、0.1s和0.12s时摩擦片的应力图，图13a～图13d为0.06s、0.08s、0.1s和0.12s时钢片的应力图。

如图14a～图14d和图15a～图15d所示，为湿式摩擦副在一定润滑油压转速分别为500rpm、700rpm、1000rpm及1200rpm工况条件下的润滑流场分布特性，图14a～图14d为湿式摩擦副在各转速工况下润滑流场的压力分布云图，图15a～图15d为湿式摩擦副在各转速工况下润滑流场的流速分布云图。

8)由湿式摩擦副润滑流场仿真结果可以看出，润滑油流场流速分布云图与压力分布云图具有对应关系，油槽出油口处油液流速较大而压力较小，内圈油槽内油液流速较小而压力较大，流场流速与压力分布随时间增加均有不同程度的增加趋势，且有明显的分布不均匀现象。润滑流场对湿式摩擦副具有一定影响，但影响效果较为微小。湿式摩擦副润滑流场在相同的一定润滑油压条件下，同一时刻流场流速与压力随湿式摩擦副转速的增加而增大，且变化趋势较为一致。

综上所述，根据湿式摩擦副与其润滑流场耦合仿真计算所得结果可分析湿式摩擦副润滑流场的流场特性，研究流场流速及压力分布规律，仿真模拟湿式摩擦副不同工况条件下润滑流场流速及油压分布情况等，本发明的湿式摩擦副与其润滑流场耦合仿真的计算方法用以研究其流场特性，润滑油液流场的边界条件由湿式摩擦副与其耦合作用对其进行加载，摒弃了传统的单对流场进行边界输入的加载方式。本发明的湿式摩擦副流场仿真新思路，分析结果为流场对湿式摩擦副应力应变场的影响作用及后续湿式摩擦副的优化奠定了一定基础。

上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。