CN107194123B - 液力缓速器制动性能仿真方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液力缓速器制动性能仿真方法和装置，属于液力缓速器性能预测技术领域，在全流道轮腔模型区域，使用在网格节点处生成的流体粒子来替代网格单元，模拟流体运动，而在定轮模型区域和动轮模型区域，采用刚体网格单元进行描述。通过流体粒子和网格单元间的相互作用，能够真实模拟出液力缓速器的工作状态，获得相对准确的稳态制动转矩数值，同时能够对动态制动性能进行预测。通过流体粒子和网格单元已经将流体和固体清晰的区分开来，不需要划分清晰的接触面，而是只需定义发生接触的组件，降低了对网格质量的依赖程度，不需要再细化关键接触面网格，因此，减少了计算量，节省了前处理的工作量。

Description

液力缓速器制动性能仿真方法和装置

技术领域

本发明涉及液力缓速器性能预测技术领域，具体而言，涉及一种液力缓速器制动性能仿真方法和装置。

背景技术

为了适应现代车辆日益向高速和重载发展的趋势，液力缓速器作为重要的辅助制动装置，越来越多的在车辆制动系统中应用。液力缓速器的主要性能参数是制动力矩、起效时间等。

目前，有关液力缓速器的性能仿真分析大多是基于CFD(欧拉网格)的数值仿真技术，其基本思想是将时间和空间域中连续物理量的场替换为有限离散点上变量值的集合，基于一定的假设，通过建立这些离散点变量的关系方程式，求解得到场变量的近似值。在总结分析液力缓速器内部流动规律及其制动性能之间关系的基础上，利用降阶技术预测其动态性能。但是，基于欧拉网格的数值模拟方法存在着一些不太完善的假设，包括很多理想条件，导致计算不收敛或者产生很大的误差，而且无法满足将来在虚拟现实环境下仿真时对真实性和实时性的要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种液力缓速器制动性能仿真方法和装置，通过粒子和网格单元间的相互作用，能够更真实地模拟液力缓速器的工作状态。

第一方面，本发明实施例提供了一种液力缓速器制动性能仿真方法，包括：

针对选定的液力缓速器，建立几何模型；所述几何模型包括定轮模型区域、动轮模型区域和全流道模型区域；

对所述几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域；

按照各个区域的不同属性，将所述几何模型的各个区域划分为体网格单元；

在全流道轮腔模型区域，将体网格单元节点转化为流体粒子，用于模拟流体运动；

根据预设的流体粒子的光滑长度，通过光滑核函数，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型；

针对所述油液流动模型，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用；采用接触算法，确定流体粒子与体网格单元之间的相互作用，以建立液力缓速器制动性能仿真模型；

向所述液力缓速器制动性能仿真模型内输入恒定的转速，得到所述液力缓速器制动性能仿真模型在不同转速下的稳态制动转矩；输入随仿真时间变化的转速，得到所述液力缓速器的动态制动转矩；

输出所述液力缓速器制动性能仿真模型和所述不同转速下的稳态制动转矩。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：

根据输出的所述液力缓速器制动性能仿真模型对所述液力缓速器的制动性能进行预测；以使设计人员根据制动性能预测结果对所述液力缓速器的结构进行优化。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，输出所述液力缓速器制动性能仿真模型和所述不同转速下的稳态制动转矩及动态性能之前，所述方法还包括：

判断所述液力缓速器制动性能仿真模型内的流体粒子的运动情况是否满足要求；

如果否，调整粒子搜索算法和接触算法的控制参数，建立液力缓速器制动性能仿真模型；

如果是，执行输出所述液力缓速器制动性能仿真模型和所述不同转速下的稳态制动转矩的步骤。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，对所述几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域的步骤，包括：

去除几何模型中的圆倒角特征和螺钉孔特征；

去除定轮模型区域内的进油通道和出油通道；

消除定轮模型区域与动轮模型区域之间的空隙，以构建封闭的全流道轮腔模型区域。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，对所述几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域的步骤之后，所述方法还包括：

对全流道轮腔模型区域的边界进行偏置，以使全流道轮腔模型区域与定轮模型区域和动力模型区域之间留有间隙。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，按照各个区域的不同属性，将所述几何模型的各个区域划分为体网格单元的步骤，包括：

根据定轮模型区域和动轮模型区域的刚体属性，全流道轮腔模型区域的流体属性，设定所述定轮模型区域、动轮模型区域的网格尺寸与全流道轮腔模型区域的网格尺寸的比例为1:1～2:1；

按照设定的尺寸比例，采用四面体单元对所述几何模型的各个区域划进行网格划分。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，将全流道轮腔模型区域的四面体网格单元节点转化为流体粒子的步骤，包括：

根据全流道轮腔模型区域的网格单元的尺寸，确定流体粒子的体积；

根据液力缓速器内工作油液的密度，确定流体粒子的质量；

根据确定的所述流体粒子的体积和质量，在所述网格节点处，生成流体粒子。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型的步骤，包括：

根据如下公式，构建油液流动模型；

其中，为流体粒子i沿α方向的速度；m_j为流体粒子j的质量；为流体粒子i的总应力张量；为流体粒子j的总应力张量；为流体粒子i沿β方向的位移；e_i为流体粒子i的能量；p_i为流体粒子i的各向同性压力；∏_ij为设定的人工粘性；为流体粒子i沿β方向的速度；为流体粒子i沿β方向的速度；W_ij为以流体粒子i为中心，在流体粒子j处取值的光滑核函数；W_ji为以流体粒子j为中心，在流体粒子i处取值的光滑核函数；光滑核函数W采用高斯核函数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用的步骤，包括：采用树形搜索法，确定流体粒子之间的相互作用；

采用接触算法，确定流体粒子与体网格单元之间的相互作用的步骤，包括：采用对称罚函数法，确定流体粒子与体网格单元之间的相互作用。

第二方面，本发明实施例还提供了一种液力缓速器制动性能仿真装置，包括：

几何模型建立模块，用于针对选定的液力缓速器，建立几何模型；所述几何模型包括定轮模型区域、动轮模型区域和全流道模型区域；对所述几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域；

网格划分模块，用于按照各个区域的不同属性，将所述几何模型的各个区域划分为网格单元；

粒子生成模块，用于在全流道轮腔模型区域的网格单元节点处，生成流体粒子；

仿真模型构建模块，用于根据预设的流体粒子的光滑长度，通过光滑核函数，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型；针对所述油液流动模型，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用；采用接触算法，确定流体粒子与网格单元之间的相互作用，以建立液力缓速器制动性能仿真模型；

性能仿真模块，用于向所述液力缓速器制动性能仿真模型内输入设定的转速，得到所述液力缓速器制动性能仿真模型在不同转速下的稳态制动转矩和动态制动转矩；

结果输出模块，用于输出所述液力缓速器制动性能仿真模型和所述不同转速下的稳态制动转矩和动态制动转矩。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的液力缓速器制动性能仿真方法和装置，在全流道轮腔模型区域，使用在网格节点处生成的流体粒子来替代网格单元，模拟流体运动，而在定轮模型区域和动轮模型区域，采用刚体网格单元进行描述。通过流体粒子和网格单元间的相互作用，能够真实模拟出液力缓速器的工作状态，获得相对准确的稳态制动转矩数值，同时能够对动态制动转矩进行预测。通过流体粒子和网格单元已经将流体和固体清晰的区分开来，不需要划分清晰的接触面，而是只需定义发生接触的组件，降低了对网格质量的依赖程度，不需要再细化关键接触面网格，因此，减少了计算量，节省了前处理的工作量。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例所提供的液力缓速器制动性能仿真方法的流程图；

图2为本发明另一实施例所提供的液力缓速器制动性能仿真方法的流程图；

图3为本发明一实施例所提供的某双循环圆液力缓速器的结构示意图；

图4为本发明一实施例所提供的全充液不同转速下稳态制动转矩随仿真时间变化图；

图5为本发明一实施例所提供的全充液工况下动态制动转矩随仿真时间变化图；

图6为本发明一实施例所提供的仿真方法的仿真结果与试验结果的对比图；

图7为本发明一实施例提供的液力缓速器制动性能仿真装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有的液力缓速器的性能仿真方法存在较大误差的问题。本发明实施例提供了一种液力缓速器制动性能仿真方法和装置，以下首先对本发明的液力缓速器制动性能仿真方法进行详细介绍。

实施例一

该实施例提供了一种液力缓速器制动性能仿真方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S101，针对选定的液力缓速器，建立几何模型；所述几何模型包括定轮模型区域、动轮模型区域和全流道模型区域。

以某双循环圆液力缓速器为例，主要由两个定轮和一个动轮构成，定轮叶片数目为51，动轮叶片数目为47，叶轮的循环圆大径为355mm。根据该液力缓速器的结构，建立三维几何模型，全流道模型区域上分布有一个进油口与两个出油口，即一路进油(充液支路)，两路出油(循环散热支路与充液调节支路)。缓速器起效时，油液应从充液支路迅速充入缓速器轮腔中，充液率迅速升高以输出一定的制动力矩。循环散热支路与充液支路同时工作，流出缓速器轮腔的油液流入换热器，而后又重新流回轮腔进口，以此起到循环散热的作用；充液调节支路通过充液量调节阀来动态调节缓速器轮腔充液率，在一定转速下输出恒定的制动力矩。

步骤S102，对几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域。

该双循环圆液力缓速器的结构如图3所示，由于仿真过程中需要将油液离散为流体粒子，将叶轮离散为网格单元，通过二者之间的接触碰撞计算来求解出作用在动轮上沿轴向的制动转矩，所以，需要对定轮和动轮模型进行适当地简化。简化过程主要包括：第一，去除几何模型中的圆倒角、螺栓孔等特征，降低网格划分的难度；第二，为防止仿真过程中流体粒子的泄漏，故消除图3中椭圆区域内动轮和定轮的间隙，以构成封闭的全流道轮腔模型区域(只要不设定动轮和定轮之间的接触，就不会影响动轮的运动)；第三，由于仿真的是轮腔内充满油液的情况，因此不需要考虑进出口流量对计算精度的影响，为了减少生成流体粒子的数量，提高求解效率，故去除模型区域内的进、出油通道。

仿真过程在LS-DYNA软件中实现，其中，流体粒子的生成是基于网格节点的，通过计算流体粒子之间以及流体粒子与叶轮之间的接触力来得到需要的结果，而流体粒子并非不计大小的质点，而是含有质量、粘度属性并在空间中占有一定体积的球体单元，所以在全流道模型的边界位置所生成的粒子会占用到实体几何模型以外的区域，进而出现在初始时刻粒子穿透叶轮的现象，甚至导致计算崩溃。因此，在全流道建模时，对其外表面进行偏置，使得流道和定轮、动轮之间留有一定的间隙。

步骤S103，按照各个区域的不同属性，将几何模型的各个区域划分为网格单元。

仿真模型的网格划分将直接影响到模型的计算精度和求解时间，就网格尺寸而言，网格划分越细，计算精度越高，但求解时间也越长；而网格划分过粗，计算精度会低，容易造成SPH粒子穿透实体边界。可以理解，动轮模型区域、定轮模型区域为刚体属性，而全流道轮腔模型区域为流体属性，故在划分网格时，要合理匹配动轮模型区域、定轮模型区域和全流道轮腔模型区域的网格尺寸，使得粒子生成后接触良好，相互作用过程不产生穿透现象，达到更好的模拟流体运动的效果。为了达到较好的效果，可以设定叶轮网格尺寸与全流道网格尺寸比例在2:1到1:1之间。更优选地，为了提高计算效率，同时保证计算精度，减少粒子穿透，将动轮、定轮与全流道模型的网格尺寸比例定为1.5:1。

就网格类型而言，液力缓速器模型复杂，理论上六面体网格相对规则，有助于提高计算精度，但划分网格的工作量巨大，网格单元数量也会较多，对建模效率和计算效率都会产生影响，由于本实施例采用的仿真方法对接触面网格细化程度要求不高，采用四面体网格能够达到和六面体网格相当的计算结果，因此，在建模时采用四面体网格即可。全流道轮腔模型区域的网格尺寸为1.2mm。

步骤S104，在全流道轮腔模型区域，将体网格单元节点转化为流体粒子，以模拟流体运动。

粒子是在网格节点上生成的，流体粒子的体积与网格单元的尺寸成正比。根据全流道轮腔模型区域的网格单元的尺寸，确定流体粒子的体积。流体粒子用于模拟全流道轮腔中的油液，将连续介质(油液)离散成一系列具有质量的流体粒子，需要根据液力缓冲器的油液的密度，确定流体粒子的质量。根据上述步骤确定的流体粒子的体积和质量，在网格节点处，生成流体粒子。

步骤S105，根据预设的流体粒子的光滑长度，通过光滑核函数，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型。

仿真时，选用流体化近似公式构建油液流动模型：

其中，为流体粒子i沿α方向的速度；m_j为流体粒子j的质量；为流体粒子i的总应力张量；为流体粒子j的总应力张量；为流体粒子i沿β方向的位移；e_i为流体粒子i的能量；p_i为流体粒子i的各向同性压力；∏_ij为设定的人工粘性；为流体粒子i沿β方向的速度；为流体粒子i沿β方向的速度；W_ij为以流体粒子i为中心，在流体粒子j处取值的光滑核函数；W_ji为以流体粒子j为中心，在流体粒子i处取值的光滑核函数；

光滑核函数W采用高斯核函数：

其中，x_i为流体粒子i的位置矢量，x_i为流体粒子j的位置矢量，α_d为设定的维度影响系数，h_ij为流体粒子i与流体粒子j之间的对称光滑长度。为了保持粒子间相互作用的对称性，在光滑核函数中采用对称光滑长度h_ij代替h_i和h_j。

步骤S106，针对油液流动模型，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用；采用接触算法，确定流体粒子与网格单元之间的相互作用，以建立液力缓速器制动性能仿真模型。

液力缓速器能够产生制动转矩的原因就在于工作油液和动轮、定轮之间的接触作用，而在进行方法建模时，需要模拟流体粒子之间及其与网格刚体单元之间的相互作用，以建立液力缓速器制动性能仿真模型。

在光滑粒子流体动力学方法中，由于光滑核函数具有一个支持域，故在相关粒子的支持域中，只包含有限的粒子，而所包含的这些粒子将会在粒子近似计算过程中被使用。一般将这些包含在支持域中的粒子称为相关粒子的最近相邻粒子(NNP)，而通常将寻找最近相邻粒子的过程称为最近相邻粒子搜索(NNPS)。在基于网格的数值方法中，相邻网格单元的位置在绘制问题域的网格时就确定了，仿真过程中，给定粒子的最近相邻粒子是随时间的改变而变化的，所以，在每一个时间步都要重新确定粒子的相邻粒子，这样，就会耗费很多时间。因此，采用的粒子搜索算法将直接决定整个光滑粒子流体动力学方法的计算效率。本发明实施例采用树形搜索法，确定流体粒子之间的相互作用。

树形搜索法是通过粒子的位置来构造有序树，以自适应分层树形搜索法为例，将最大的问题域递归分割成一个个卦限，直到每一个卦限内只包含一个粒子为止。例如，给定任意一个粒子,并以粒子为中心，用边长和光滑长度成一定比例的立方体将粒子包围起来，然后再检测粒子的搜索立方体空间是否与并列的层次内的其他节点所占的空间有相重合的地方。若没有，则终止往下搜索；若有，则继续往下一层次搜索，直到所搜索到的当前节点处只有一个粒子为止。接着，检查此粒子是否在给定粒子的支持域内，若是，则将其记为粒子的相邻粒子。采用树形搜索法，可以提高计算效率，节约计算成本。

本发明实施例采用对称罚函数法，确定流体粒子与网格单元之间的相互作用。对称罚函数法的基本原理是：在每一个时间步都要检查各个从节点是否穿透了主面，如果没有，则不作任何处理，反之，则在该从节点与穿透主面之间引入一个较大的界面接触力，力的大小称为罚函数值，它和穿透的深度及主面的刚度成正比。这在物理上相当于在两者之间放置了一个法向弹簧，以限制从节点对主面的穿透。

对称罚函数法在每一个时间步都对从节点和主节点进行一次循环处理，以从节点为例，该算法的基本步骤如下所述：

a.搜索所有从节点，确定是否穿透主面；

b.如果没有穿透，搜索结束，不作处理；如果有穿透，则在从节点和主面上的接触点之间添加一法向接触力；

c.处理摩擦力；

d.将接触力和摩擦力投影到全局坐标，并集中到总体载荷向量内。

在基于罚函数法的接触类型中，当两个物体发生接触时，必须建立刚度联系才能避免相互穿透，该算法中则是通过在节点和接触面之间引入“弹性弹簧”来建立接触刚度K，其中，接触力等于接触刚度K和贯穿量δ的乘积。理想情况下，应该没有穿透，但这意味着K＝∞，从而导致数值计算的不稳定，所以通常允许有微小的贯穿量存在，而贯穿量又由接触刚度控制。

接触刚度K与接触体的相对刚度有关，缺省的计算接触刚度的方法为：

实体单元：

壳单元：

式中，SLSFAC为总罚函数因子，默认值为0.1；k为接触单元的体积模量；面积为接触片的面积。在大多数情况下，程序默认的接触刚度可以提供良好的计算结果，如果计算时发现有较大的穿透量，可以改变罚函数因子的值以提高接触刚度。

当两个接触面的材料刚度相差很悬殊时，由于接触刚度采用主、从接触面中较小的刚度，容易出现接触失效，此时，就需要综合考虑发生接触的节点质量以及整体时间步长，以保证接触的稳定性，计算方法为：

K＝max(SLSFAC×SFS×K₀，SOFSCL×K₁)

式中，SFS为从接触面罚函数因子，对于材料刚度相差很大的模型，一般将材料刚度大的设为主接触面，刚度小的设为从接触面；SOFSCL(Scale factor forconstraintforces of soft constraint option)为软约束力影响因子；K₀是根据材料弹性模量与单元尺寸确定的接触刚度；K₁是根据节点的质量和整体时间步长来确定的接触刚度。

步骤S107，向液力缓速器制动性能仿真模型内输入恒定的转速，得到液力缓速器制动性能仿真模型在不同转速下的稳态制动转矩；输入随仿真时间变化的转速，得到液力缓速器的动态制动转矩。

例如，分别对全充液状态不同转速下的双循环圆液力缓速器进行稳态性能仿真，得到n＝300r/min～1000r/min相应的稳态制动转矩，如图4所示。从图4中可以看出，全充液工况不同仿真转速下，制动转矩随着仿真时间的增加逐渐减小，当时间步数超过一定值后趋于稳定。将滤波处理前的各条曲线放大60倍后，可以发现，制动转矩存在波动现象，在转速较低(n＝300r/min～600r/min)时，波动较小，随着仿真转速的升高，波动现象也更为明显，波动周期也随之减小。这表明，随着动轮转速的不断升高，液力缓速器轮腔内的流体粒子和叶轮之间的接触碰撞更加剧烈，接触力波动更为明显，但平均值相对稳定。

对全充液状态下的双循环圆液力缓速器进行动态性能仿真，得到初始速度n＝800r/min时对应的动态制动性能仿真结果，如图5所示。其中，仿真步长为0.01ms，转速变化为线性。从图5中可以看出，图中显示，动态制动转矩对动轮转速变化的响应并不是瞬时的，而是有一定的延迟；转矩值刚开始减小较快，随着转速的不断降低，减小速度变慢；当动轮转速降为0时，由于部分流体粒子还在运动，所以显示仍然有制动转矩存在，且转矩波动较为明显。

步骤S108，输出液力缓速器制动性能仿真模型和所述不同转速下的稳态制动转矩和动态制动转矩。

输出的液力缓速器制动性能仿真模型包括模拟油液流动的模拟动画。

该方法还可以包括：根据输出的液力缓速器制动性能仿真模型对所述液力缓速器的制动性能进行检测；以使设计人员根据制动性能检测结果对所述液力缓速器的结构进行优化。

本发明实施例提供的液力缓速器制动性能仿真方法，在全流道轮腔模型区域，使用在网格节点处生成的流体粒子来替代网格单元，模拟流体运动，而在定轮模型区域和动轮模型区域，采用网格单元模拟刚体状态。通过流体粒子和网格单元间的相互作用，能够真实模拟出液力缓速器的工作状态，同时获得相对准确的稳态制动转矩数值。通过流体粒子和网格单元已经将流体和固体清晰的区分开来，不需要划分清晰的接触面，而是只需定义发生接触的组件，降低了对网格质量的依赖程度，不需要再细化关键接触面网格，因此，减少了计算量，节省了前处理的工作量。

该方法采用粒子来构建计算域，粒子携带了所在的位置信息和各种力学变量，可以在空间问题域中移动，在流体力学问题的模拟中，既消除了传统网格算法因数值扩散引起的计算不稳定问题，又可以通过粒子实时追踪流体单元空间位置，求解流场变量，是进行液力缓速器的流场模拟和性能仿真的一种新思路。

实施例二

如图2所示，该实施例提供的液力缓速器制动性能仿真方法包括如下步骤：

步骤S201，针对选定的液力缓速器，建立几何模型；所述几何模型包括定轮模型区域、动轮模型区域和全流道模型区域；

步骤S202，对几何模型进行简化，将全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域；

步骤S203，按照各个区域的不同属性，将几何模型的各个区域划分为网格单元；

步骤S204，在全流道轮腔模型区域，将体网格单元节点转化为流体粒子，以模拟流体运动；

步骤S205，根据预设的流体粒子的光滑长度，通过光滑核函数，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型；

步骤S206，针对油液流动模型，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用；采用接触算法，确定流体粒子与网格单元之间的相互作用，以建立液力缓速器制动性能仿真模型；

步骤S207，向液力缓速器制动性能仿真模型内输入恒定的转速，得到液力缓速器制动性能仿真模型在不同转速下的稳态制动转矩；输入随仿真时间变化的转速，得到液力缓速器的动态制动转矩；

步骤S208，判断液力缓速器制动性能仿真模型内的流体粒子的运动情况是否满足要求；所述满足要求是指，流体粒子穿透接触界面的个数小于设定的阈值；如果是，执行步骤S209，如果否，执行步骤S210，调整粒子搜索算法和接触算法的控制参数，返回执行步骤S206。

步骤S209，输出液力缓速器制动性能仿真模型和所述不同转速下的稳态制动转矩和动态制动转矩。

其中，步骤S210中调整的控制参数包括上述的SLSFAC、SFS、SOFSCL等参数，可以根据以往的经验和观察到的液力缓速器制动性能仿真模型内的流体粒子的运动情况确定调整的参数及调整后参数的数值。

在一优选的实施例中，还可以将输出的液力缓速器制动性能仿真模型和不同转速下的稳态转矩与利用液力缓速器实体进行试验得到的结构进行对比验证，如果验证结果合格，则可以根据输出的结果绘制制动性能曲线，如果否，则需要修正光滑长度，根据修正后的光滑长度，在全流道轮腔模型区域内重构油液流动模型。

为了验证上述实施例一和实施例二所提供的液力缓速器制动性能仿真方法的可靠性，特将仿真结果与液力缓速器实体试验结果进行了对比。

在液力缓速器实体试验中，通过驱动电机带动液力缓速器的动轮旋转，为了模拟液力缓速器的实车工况和稳定转速，在试验台中加入了惯量加载系统，通过动态转速转矩传感器等对试验数据进行采集。

正式试验前，先将缓速器起效阀开启，充液量调节阀关闭，动轮转速设定为500r/min，使得工作油液预热一段时间，待出口油液温度达到60℃，打开水泵使液力缓速器换热器内的冷却水循环流动，保证液力缓速器工作时的热量能够及时散发，试验过程中要实时检测出口油液温度，不得低于60℃，不得超过120℃。

1)液力缓速器稳态制动性能试验

(1)使起效阀开启，向轮腔内充油，从300r/min开始进行固定转速下的液力缓速器制动试验；同时，以50mA为间隔，使放液先导减压阀控制电流从0增加到减压阀最大控制电流400mA，在此整个过程中，记录最大制动转矩以及相应的油压、油温、流量等参数。

(2)以100r/min为间隔，逐渐升高转速至800r/min，重复步骤(1)，记录相应的制动转矩。

2)液力缓速器动态制动性能试验

试验中负载惯量为20kg·m²，与电机等系统的总惯量相当于模拟24吨车重的制动力矩变化情况。在液力缓速器动轮800r/min时，维持稳定转速与控制油压，当达到稳定的制动转矩时，将动力电机卸荷(直接关断电机而非将电机转速调到0，是为了排除电机本身的控制作用)，使系统在液力缓速器制动力矩的作用下自然减速制动，直至停止，记录在无动力输入、缓速器自然制动时的动态制动过程的转速和转矩变化规律。

共进行了两次稳态制动试验，将每个转速下能达到并稳定的最大制动转矩作为该转速的稳态制动特性，与仿真方法中得到的制动转矩相比较，得到制动性能曲线对比图如图6所示，从图6中可以看出，制动转矩与转速之间基本满足理论的二次曲线关系。由于液力缓速器自身在较低转速条件下的制动转矩较低，减速效果不明显，使得仿真结果明显大于试验结果；在转速为500r/min～800r/min的工况下，仿真结果和试验结果具有较好的吻合程度，相对误差在10％以内。这表明，本发明实施例所提供的液力缓速器制动性能仿真方法能够满足一定的精度要求。

本发明实施例通过SPH方法进行液力缓速器全充液工况仿真建模，能够实现流场的实时显示，具有以下优点：(1)基于SPH粒子框架，虽然保留了动轮和定轮网格模型，但降低了对网格质量的依赖程度，节省了前处理的工作量；(2)不需要划分清晰的接触面，只需定义发生接触的组件，就能更加真实地模拟出工作油液的流动状态，追踪每一个“油液粒子”的运动轨迹，同时获得相对准确的稳态制动转矩数值；(3)SPH求解采用显式时间积分，能够实时查看当前时间步的运算结果，对相关控制参数进行调整后进行重启动计算，获得动态制动转矩性能仿真结果。

实施例三

该实施例公开了一种液力缓速器制动性能仿真装置，如图7所示，该装置包括：

几何模型建立模块71，用于针对选定的液力缓速器，建立几何模型；所述几何模型包括定轮模型区域、动轮模型区域和全流道模型区域；对几何模型进行简化，将全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域；

网格划分模块72，用于按照各个区域的不同属性，将几何模型的各个区域划分为网格单元；

粒子生成模块73，用于在全流道轮腔模型区域，将体网格单元节点转化为流体粒子，以模拟流体运动；

仿真模型构建模块74，用于根据预设的流体粒子的光滑长度，通过光滑核函数，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型；针对油液流动模型，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用；采用接触算法，确定流体粒子与网格单元之间的相互作用，以建立液力缓速器制动性能仿真模型；

性能仿真模块75，用于向液力缓速器制动性能仿真模型内输入恒定的转速，得到液力缓速器制动性能仿真模型在不同转速下的稳态制动转矩；输入随仿真时间变化的转速，得到液力缓速器的动态制动转矩；

结果输出模块76，用于输出液力缓速器制动性能仿真模型和不同转速下的稳态制动转矩和动态制动转矩。

本发明实施例提供的液力缓速器制动性能仿真方法和装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

需要说明的是，在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种液力缓速器制动性能仿真方法，其特征在于，包括：

针对选定的液力缓速器，建立几何模型；所述几何模型包括定轮模型区域、动轮模型区域和全流道模型区域；

对所述几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域；

按照各个区域的不同属性，将所述几何模型的各个区域划分为体网格单元；

在全流道轮腔模型区域，将体网格单元节点转化为流体粒子，用于模拟流体运动；

根据预设的流体粒子的光滑长度，通过光滑核函数，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型；

针对所述油液流动模型，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用；采用接触算法，确定流体粒子与体网格单元之间的相互作用，以建立液力缓速器制动性能仿真模型；

向所述液力缓速器制动性能仿真模型内输入恒定的转速，得到所述液力缓速器制动性能仿真模型在不同转速下的稳态制动转矩；输入随仿真时间变化的转速，得到所述液力缓速器的动态制动转矩；

输出所述液力缓速器制动性能仿真模型、所述不同转速下的稳态制动转矩和动态制动转矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据输出的所述液力缓速器制动性能仿真模型对所述液力缓速器的制动性能进行预测；以使设计人员根据制动性能预测结果对所述液力缓速器的结构进行优化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，输出所述液力缓速器制动性能仿真模型和所述不同转速下的稳态制动转矩之前，所述方法还包括：

判断所述液力缓速器制动性能仿真模型内的流体粒子的运动情况是否满足要求；

如果否，调整粒子搜索算法和接触算法的控制参数，重新建立液力缓速器制动性能仿真模型；

如果是，执行输出所述液力缓速器制动性能仿真模型和所述不同转速下的稳态制动转矩的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域的步骤，包括：

去除几何模型中的圆倒角特征和螺钉孔特征；

去除定轮模型区域内的进油通道和出油通道；

消除定轮模型区域与动轮模型区域之间的空隙，以构建封闭的全流道轮腔模型区域。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域的步骤之后，所述方法还包括：

对全流道轮腔模型区域的边界进行偏置，以使全流道轮腔模型区域与定轮模型区域和动轮模型区域之间留有间隙。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照各个区域的不同属性，将所述几何模型的各个区域划分为体网格单元的步骤，包括：

根据定轮模型区域和动轮模型区域的刚体属性，全流道轮腔模型区域的流体属性，设定所述定轮模型区域、动轮模型区域的网格尺寸与全流道轮腔模型区域的网格尺寸的比例为1:1～2:1；

按照设定的尺寸比例，采用四面体单元对所述几何模型的各个区域划进行网格划分。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将全流道轮腔模型区域的四面体网格单元节点转化为流体粒子的步骤，包括：

根据全流道轮腔模型区域的网格单元的尺寸，确定流体粒子的体积；

根据液力缓速器内工作油液的密度，确定流体粒子的质量；

根据确定的所述流体粒子的体积和质量，在所述体网格单元节点处，生成流体粒子。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型的步骤，包括：

根据如下公式，构建油液流动模型；

其中，为流体粒子i沿α方向的速度；m_j为流体粒子j的质量；为流体粒子i的总应力张量；为流体粒子j的总应力张量；为流体粒子i沿β方向的位移；e_i为流体粒子i的能量；p_i为流体粒子i的各向同性压力；∏_ij为设定的人工粘性；为流体粒子i沿β方向的速度；为流体粒子j沿β方向的速度；W_ij为以流体粒子i为中心，在流体粒子j处取值的光滑核函数；W_ji为以流体粒子j为中心，在流体粒子i处取值的光滑核函数；光滑核函数W采用高斯核函数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用的步骤，包括：采用树形搜索法，确定流体粒子之间的相互作用；

采用接触算法，确定流体粒子与体网格单元之间的相互作用的步骤，包括：采用对称罚函数法，确定流体粒子与体网格单元之间的相互作用。

10.一种液力缓速器制动性能仿真装置，其特征在于，包括：

几何模型建立模块，用于针对选定的液力缓速器，建立几何模型；所述几何模型包括定轮模型区域、动轮模型区域和全流道模型区域；对所述几何模型进行简化，将所述全流道模型区域构建为封闭的全流道轮腔模型区域；

网格划分模块，用于按照各个区域的不同属性，将所述几何模型的各个区域划分为网格单元；

粒子生成模块，用于在全流道轮腔模型区域，将体网格单元节点转化为流体粒子，以模拟流体运动；

仿真模型构建模块，用于根据预设的流体粒子的光滑长度，通过光滑核函数，在全流道轮腔模型区域内构建油液流动模型；针对所述油液流动模型，采用粒子搜索算法，确定流体粒子之间的相互作用；采用接触算法，确定流体粒子与网格单元之间的相互作用，以建立液力缓速器制动性能仿真模型；

性能仿真模块，用于向所述液力缓速器制动性能仿真模型内输入恒定的转速，得到所述液力缓速器制动性能仿真模型在不同转速下的稳态制动转矩；输入随仿真时间变化的转速，得到所述液力缓速器的动态制动转矩；

结果输出模块，用于输出所述液力缓速器制动性能仿真模型、所述不同转速下的稳态制动转矩和动态制动转矩。