[發(fā)明專利]一種內(nèi)燃機(jī)活塞-缸套摩擦副動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合的建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011252877.1
• 申請(qǐng)日: 2020-11-11
• 公開（公告）號(hào): CN112380649B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙波;胡鑫清;劉曉俊;司先才;劉永輝;楊理華;張保成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 深圳國(guó)聯(lián)專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 44465
• 代理人: 晏達(dá)峰

1.一種內(nèi)燃機(jī)活塞-缸套摩擦副動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合的建模方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S1，基于COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件，建立內(nèi)燃機(jī)的參數(shù)化幾何模型：包括缸套、活塞、活塞銷、連桿、曲柄的幾何尺寸及質(zhì)心位置，活塞銷的偏置結(jié)構(gòu)參數(shù)；

步驟S2，定義全局參數(shù)、變量、函數(shù)、探針；

步驟S3，添加物理場(chǎng)，物理場(chǎng)包括多體動(dòng)力學(xué)物理場(chǎng)，薄膜流動(dòng)、殼物理場(chǎng)；

步驟S4，設(shè)置內(nèi)燃機(jī)缸套、活塞頂部、活塞裙部、活塞銷、連桿、曲柄以及潤(rùn)滑油的材料屬性；

步驟S5，網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格之前采用虛擬操作忽略部分邊界，根據(jù)各個(gè)物理場(chǎng)的需要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；

步驟S6，設(shè)置多體動(dòng)力學(xué)物理場(chǎng)，薄膜流動(dòng)、殼物理場(chǎng)的屬性和邊界條件；

步驟S7，確定物理場(chǎng)耦合關(guān)系，建立多物理場(chǎng)耦合模型，多物理場(chǎng)耦合模型為多體動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)的耦合，活塞裙部與缸套之間存在配缸間隙，該間隙中充滿潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油提供承載力支撐活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)與二階運(yùn)動(dòng)，其中，活塞的二階運(yùn)動(dòng)直接影響潤(rùn)滑油的油膜厚度，根據(jù)雷諾方程油膜厚度改變會(huì)導(dǎo)致油膜壓力改變，而油膜壓力又會(huì)反過(guò)來(lái)影響活塞的動(dòng)力學(xué)行為，因此，活塞的動(dòng)力學(xué)特性與摩擦學(xué)特性具有強(qiáng)耦合的相互作用；在薄膜流動(dòng)、殼物理場(chǎng)中，輸入油膜厚度的表達(dá)式，將配缸間隙、型線、活塞二階運(yùn)動(dòng)的影響寫入，同時(shí)修改油膜速度，主要包括往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)速度以及活塞對(duì)潤(rùn)滑油的擠壓速度；在多體動(dòng)力學(xué)物理場(chǎng)中，將薄膜流動(dòng)，殼物理場(chǎng)計(jì)算得到的油膜壓力通過(guò)邊界載荷施加到活塞裙部，油膜剪切引起的摩擦力以及微凸體接觸的影響同樣通過(guò)邊界載荷作用于活塞裙部；

步驟S8，對(duì)所建多物理場(chǎng)耦合模型進(jìn)行瞬態(tài)求解；

步驟S9，動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)特性分析：包括活塞的二階運(yùn)動(dòng)幅值與周期性變化，活塞側(cè)推力、摩擦力、摩擦功率損失的瞬態(tài)分析，活塞裙部油膜壓力分布、油膜厚度分布的瞬態(tài)分析，最小油膜厚度周期性變化，以及活塞裙部與缸套在極端工況下發(fā)生的微凸體接觸力的大小與發(fā)生時(shí)刻的瞬態(tài)分析。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機(jī)活塞-缸套摩擦副動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合的建模方法，其特征在于：所述步驟S1中，建立模型時(shí)忽略連接螺栓、墊塊、螺母、襯套，建立簡(jiǎn)化的內(nèi)燃機(jī)參數(shù)化幾何模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機(jī)活塞-缸套摩擦副動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合的建模方法，其特征在于：所述步驟S2中，定義的全局參數(shù)、變量、函數(shù)、探針主要包括：曲柄轉(zhuǎn)速、配缸間隙、燃燒壓力、活塞型線、摩擦力、微凸體接觸、活塞二階運(yùn)動(dòng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機(jī)活塞-缸套摩擦副動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合的建模方法，其特征在于：所述步驟S4中，根據(jù)缸套、活塞頂部、活塞裙部、活塞銷、連桿、曲柄的材料，從材料庫(kù)中添加對(duì)應(yīng)的材料屬性；對(duì)于活塞裙部潤(rùn)滑區(qū)域，根據(jù)選用的潤(rùn)滑油型號(hào)輸入相應(yīng)的動(dòng)力粘度和密度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機(jī)活塞-缸套摩擦副動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合的建模方法，其特征在于：所述步驟S5中，薄膜流動(dòng)、殼物理場(chǎng)邊界采用映射結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，大小控制為極細(xì)化網(wǎng)格，幾何形函數(shù)階次采用二次，多體動(dòng)力學(xué)物理場(chǎng)對(duì)幾何形狀規(guī)則的零部件使用掃掠結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，剩余域使用用戶自定義的自由四面體網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，保證求解效率與精度。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機(jī)活塞-缸套摩擦副動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合的建模方法，其特征在于：所述步驟S6中，在多體動(dòng)力學(xué)物理場(chǎng)選擇缸套、活塞、活塞銷、連桿、曲柄作為剛性域，添加剛性域的質(zhì)量和慣性矩，修改各自質(zhì)心位置，對(duì)缸套剛性域添加固定約束，對(duì)活塞裙部和活塞銷添加固定關(guān)節(jié)，對(duì)活塞銷與連桿大端、連桿小端與曲柄、曲柄與固定依次施加鉸鏈關(guān)節(jié)，各個(gè)關(guān)節(jié)中心和關(guān)節(jié)軸根據(jù)實(shí)際情況選定，對(duì)活塞頂部邊界添加燃燒壓力邊界載荷；在薄膜流動(dòng)、殼物理場(chǎng)中，選擇活塞裙部作為潤(rùn)滑區(qū)域，設(shè)置潤(rùn)滑邊界并指定潤(rùn)滑油的初始?jí)毫χ禐榱恪?/p>