CN108197341B - 一种柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，包括建立连杆小头基础分析模型；建立连杆小头热流固性能评价计算模型；对连杆小头轴承进行特性评价。本发明所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，流程明确，可操作性强。解决了连杆小头轴承供油及温度场不确定的计算问题；提供了连杆小头轴承在热场、冲击冷却及润滑流场和结构变形场强耦合系统的解决方案。

Description

一种柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法
技术领域
本发明属于柴油机设计加工技术领域，尤其是涉及一种连杆小头轴承液力耦合分析方法。
背景技术
连杆小头轴承是柴油机内部较为特殊的轴承，特别是针对高强化柴油机，其承受了极大的机械载荷，较高的摆动速度，同时承受了部分由活塞通过活塞销座传导至轴承的热量，因此工作情况恶劣，也是故障频发的轴承之一。由于目前受限于部件试验手段无法真实模拟发动机工作环境，因此需要借助合理的仿真分析方法进行有效模拟。
柴油机连杆小头轴承分析早期仅针对连杆小头轴承单个结构采用结构有限元的分析方法进行结构载荷传递及分配规律分析研究，进而评价轴承结构设计的合理性。随着流体力学的发展，逐渐将流体动力学和多体动力学耦合进行轴承润滑分析，通过轴承润滑的某些特征评价轴承设计是否满足要求。但上述轴承润滑分析多是建立在强制润滑和动压效应的基础上，对于柴油机连杆大头轴承和主轴承分析结果较为理想，但对于高强化柴油机连杆小头这种采用飞溅润滑、热状态多变的摆动轴承来说，需提出一种可匹配其特点的热流固耦合仿真分析方法。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，以解决现有技术中，对高强化柴油机连杆小头的摆动轴承的分析条件较为理想，分析结果不够准确的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，包括如下步骤：
(1)建立连杆小头轴承目标分析模型；
(2)建立多相流在步骤(1)所得模型内部的流体动力学模型；
(3)在步骤(2)所得多相流体动力学模型的基础上，计算连杆小头外壁面流场压力；
(4)建立曲柄连杆多体动力学模型；
(5)建立基于雷诺方程的轴承润滑流体动力学模型，模型计算中的运动学边界由步骤(4)所得多体动力学模型提供；
(6)步骤(5)所得轴承反力及反力矩结果作为步骤(4)中多体动力学模型的输入条件，步骤(4)和步骤(5)相互迭代计算，完成轴承不同时刻结构动力学及润滑流体动力学的分析；
(7)在步骤(2)所得多相流体动力学模型的基础上，进行连杆小头结构外壁面换热计算，得到外壁面换热系数和壁面温度；
(8)在步骤(5)所得流体动力学模型的基础上，进行轴承内部接触面摩擦生热计算，得到内壁面热流边界；
(9)建立连杆小头结构的有限元模型，结合步骤(7)和步骤(8)所得温度场边界调节，计算连杆小头结构温度场；
(10)在步骤(5)所得流体动力学模型的基础上，通过其中剪切应力结构，进行连杆小头轴承的摩擦磨损计算；
(11)依照步骤(9)、步骤(5)和步骤(10)所得计算结果对连杆小头轴承进行特性评价。
进一步，步骤(1)中的模型为除活塞销、连杆结构体以外的，由冷却喷嘴至活塞底腔的空腔模型。
进一步，步骤(2)中的多相流体动力学模型为机油与空气两相流在步骤(1)所述的模型空腔内的流体动力学模型。
进一步，步骤(10)中的摩擦磨损计算，为连杆小头轴承基于选定一种或多种结构材料机械性能的摩擦磨损情况计算。
进一步，步骤(11)包括对连杆小头结构的热评价，通过步骤(9)所得温度场结构的计算结果，对所选结构材料进行验证。
进一步，步骤(11)包括对连杆小头轴承的润滑情况的评价，步骤(3)所得结果为润滑分析提供压力边界，步骤(4)所得结果为润滑分析提供运动学边界；所得分析结果对连杆小头轴承润滑情况的正常性进行验证。
进一步，所述连杆小头轴承润滑情况包括最小油膜厚度和最大油膜压力。
进一步，步骤(11)包括对连杆小头轴承的结构体变形和运动的评价；通过步骤(5)所得流体动力学模型的结构体特征，对连杆小头轴承的结构体变形和运动进行验证。
进一步，所述连杆小头轴承的结构体变形和运动包括活塞销变形和活塞销转动。
进一步，步骤(11)包括对连杆小头结构的摩擦学特性评价，通过步骤(10)所得所选材料的摩擦力、磨损率、磨损量的计算结果，对所选配副材料在摩擦学特性的合理性进行验证。
相对于现有技术，本发明所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法具有以下优势：
本发明所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，流程明确，可操作性强。解决了连杆小头轴承供油及温度场不确定的计算问题，相比于现有技术中采用理想条件进行计算，提高了分析的准确性。提供了连杆小头轴承在热场、冲击冷却及润滑流场和结构变形场强耦合系统的解决方案，能够综合的对连杆小头轴承进行性能评价。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法的流程图；
图2为本发明实施例所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法中冷却喷嘴至活塞底腔的多相流体动力学模型图；
图3为本发明实施例所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法中冷却喷嘴至活塞底腔的流体分析图；
图4为本发明实施例所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法中活塞温度场结果示意图；
图5为本发明实施例所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法中连杆小头轴承油膜特征图；
图6为本发明实施例所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法中活塞销结构变形特征图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-6，本发明提出一种柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，包括如下步骤：
(1)建立连杆小头轴承目标分析模型；
(2)建立多相流在步骤(1)所得模型内部的流体动力学模型；
(3)在步骤(2)所得多相流体动力学模型的基础上，计算连杆小头外壁面流场压力；
(4)建立曲柄连杆多体动力学模型；
(5)建立基于雷诺方程的轴承润滑流体动力学模型，模型计算中的运动学边界由步骤(4)所得多体动力学模型提供；
(6)步骤(5)所得轴承反力及反力矩结果作为步骤(4)中多体动力学模型的输入条件，步骤(4)和步骤(5)相互迭代计算，完成轴承不同时刻结构动力学及润滑流体动力学的分析；
(7)在步骤(2)所得多相流体动力学模型的基础上，进行连杆小头结构外壁面换热计算，得到外壁面换热系数和壁面温度；
(8)在步骤(5)所得流体动力学模型的基础上，进行轴承内部接触面摩擦生热计算，得到内壁面热流边界；
(9)建立连杆小头结构的有限元模型，结合步骤(7)和步骤(8)所得温度场边界调节，计算连杆小头结构温度场；
(10)在步骤(5)所得流体动力学模型的基础上，通过其中剪切应力结构，进行连杆小头轴承的摩擦磨损计算；
(11)依照步骤(9)、步骤(5)和步骤(10)所得计算结果对连杆小头轴承进行特性评价。
步骤(1)中的模型为除活塞销、连杆结构体以外的，由冷却喷嘴至活塞底腔的空腔模型。
步骤(2)中的多相流体动力学模型为机油与空气两相流在步骤(1)所述的模型空腔内的流体动力学模型。
步骤(10)中的摩擦磨损计算，为连杆小头轴承基于选定一种或多种结构材料机械性能的摩擦磨损情况计算。
步骤(11)包括对连杆小头结构的热评价，通过步骤(9)所得温度场结构的计算结果，对所选结构材料进行验证。
步骤(11)包括对连杆小头轴承的润滑情况的评价，步骤(3)所得结果为润滑分析提供压力边界，步骤(4)所得结果为润滑分析提供运动学边界；所得分析结果对连杆小头轴承润滑情况的正常性进行验证。
所述连杆小头轴承润滑情况包括最小油膜厚度和最大油膜压力。
步骤(11)包括对连杆小头轴承的结构体变形和运动的评价；通过步骤(5)所得流体动力学模型的结构体特征，对连杆小头轴承的结构体变形和运动进行验证。
所述连杆小头轴承的结构体变形和运动包括活塞销变形和活塞销转动。
步骤(11)包括对连杆小头结构的摩擦学特性评价，通过步骤(10)所得所选材料的摩擦力、磨损率、磨损量的计算结果，对所选配副材料在摩擦学特性的合理性进行验证。
上述方法中，步骤(1)～(6)为第一部分，为连杆小头基础分析模型的建立部分；步骤(7)～(10)为第二部分，为连杆小头热流固性能评价计算模型的建立部分；步骤(11)为第三部分，为连杆小头轴承结构的特性评价部分。
本发明所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，流程明确，可操作性强。解决了连杆小头轴承供油及温度场不确定的计算问题，相比于现有技术中采用理想条件进行计算，提高了分析的准确性。提供了连杆小头轴承在热场、冲击冷却及润滑流场和结构变形场强耦合系统的解决方案，能够综合的对连杆小头轴承进行性能评价。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)建立连杆小头轴承目标分析模型；
(2)建立多相流在步骤(1)所得模型内部的流体动力学模型；
(3)在步骤(2)所得多相流体动力学模型的基础上，计算连杆小头外壁面流场压力；
(4)建立曲柄连杆多体动力学模型；
(5)建立基于雷诺方程的轴承润滑流体动力学模型，模型计算中的运动学边界由步骤(4)所得多体动力学模型提供；
(6)步骤(5)所得轴承反力及反力矩结果作为步骤(4)中多体动力学模型的输入条件，步骤(4)和步骤(5)相互迭代计算，完成轴承不同时刻结构动力学及润滑流体动力学的分析；
(7)在步骤(2)所得多相流体动力学模型的基础上，进行连杆小头结构外壁面换热计算，得到外壁面换热系数和壁面温度；
(8)在步骤(5)所得流体动力学模型的基础上，进行轴承内部接触面摩擦生热计算，得到内壁面热流边界；
(9)建立连杆小头结构的有限元模型，结合步骤(7)和步骤(8)所得温度场边界调节，计算连杆小头结构温度场；
(10)在步骤(5)所得流体动力学模型的基础上，通过其中剪切应力结构，进行连杆小头轴承的摩擦磨损计算；
(11)依照步骤(9)、步骤(5)和步骤(10)所得计算结果对连杆小头轴承进行特性评价。
2.根据权利要求1所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：步骤(1)中的模型为除活塞销、连杆结构体以外的，由冷却喷嘴至活塞底腔的空腔模型。
3.根据权利要求2所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：步骤(2)中的多相流体动力学模型为机油与空气两相流在步骤(1)所述的模型空腔内的流体动力学模型。
4.根据权利要求3所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：步骤(10)中的摩擦磨损计算，为连杆小头轴承基于选定一种或多种结构材料机械性能的摩擦磨损情况计算。
5.根据权利要求4所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：步骤(11)包括对连杆小头结构的热评价，通过步骤(9)所得结构温度场的计算结果，对所选结构材料进行验证。
6.根据权利要求1-5任一项所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：步骤(11)包括对连杆小头轴承的润滑情况的评价，步骤(3)所得结果为润滑分析提供压力边界，步骤(4)所得结果为润滑分析提供运动学边界；所得分析结果对连杆小头轴承润滑情况的正常性进行验证。
7.根据权利要求6所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：所述连杆小头轴承润滑情况包括最小油膜厚度和最大油膜压力。
8.根据权利要求6所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：步骤(11)包括对连杆小头轴承的结构体变形和运动的评价；通过步骤(5)所得流体动力学模型的结构体特征，对连杆小头轴承的结构体变形和运动进行验证。
9.根据权利要求8所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：所述连杆小头轴承的结构体变形和运动包括活塞销变形和活塞销转动。
10.根据权利要求8所述的柴油机连杆小头轴承液力耦合分析方法，其特征在于：步骤(11)包括对连杆小头结构的摩擦学特性评价，通过步骤(10)所得所选材料的摩擦力、磨损率、磨损量的计算结果，对所选配副材料在摩擦学特性的合理性进行验证。
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