CN109992918A - 一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法，通过Fluent有限元流体分析软件绘制硅颗粒凸出形状的物理模型，然后进行网格划分，设置致密型网格，生成网格文件；将生成的网格文件导入到Fluent计算软件中，迭代次数设置为200～1000，计算流体区域流线；通过对比尖角与圆角模型计算出的流体区域流线即可得到圆角的减摩机理。本发明通过Fluent有限元流体分析软件构建凸出的硅颗粒与上壁面之间的润滑油区域，以计算出的流体区域流线是否形成涡流来解释缸套摩擦性能改善机理，操作简单，为高硅铝合金缸套表面加工工艺提供理论支持，便于工业应用的推广。
Description
技术领域
本发明涉及表面形态与摩擦性能研究领域，具体涉及一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法。
背景技术
高硅铝合金缸套具有质量轻、导热性好等优点。在发动机内部，缸套承受着往复式的摩擦工况，为了提高摩擦性能，往往采用表面加工工艺使硅颗粒凸出表面。硬质硅颗粒凸出表面，一方面增加了表面承载力，同时降低了黏着磨损发生的概率，另一方面凹下的区域可储油，增强润滑效果。采用传统的化学刻蚀加工工艺的缸套表面硅颗粒凸出的边角尖锐，而激光烧蚀加工工艺的缸套表面硅颗粒凸出的边角呈圆化形态。经摩擦试验结果证明，这两种硅颗粒不同的形态会影响摩擦性能，缸套表面凸出的硅颗粒呈圆角形态具有较低的摩擦系数。
目前对于高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的研究较少，大多采用实物直接进行试验的方式进行检测，费时费力的同时也增加了研究成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法，利用现有的分析软件实现了高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响机理的研究。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法，包括如下步骤：
S1、构建硅颗粒凸出形状的物理模型
考虑到颗粒的重复性，选取单个凸出的硅颗粒作为研究对象，物理模型内部区域为润滑油流动区域，设置周期性边界条件模拟表面润滑油流场的分布情况；
S2、在Fluent有限元流体分析软件中，绘制出步骤S1所构建的物理模型，设置上壁面流动速度为0.1～1 m/s，左右两侧为周期性边界，左侧为入口，右侧为出口；
S3、设置硅颗粒凸出高度为1～2 μm，润滑油膜厚度为4～10 μm，润滑油粘度为0.04～0.10 Pa·s，润滑油密度为870 kg/m3；为了方便比对结果，设置圆角与尖角的硅颗粒模型时，凸出高度相同，圆角在凸出高度一半时进行倒角处理，其余条件与尖角完全一致；
S4、进行网格划分，设置致密型网格，在mesh模块中的solver preference中选择“Fluent”，在sizing中的relevance center选择“Fine”，点击Update生成网格文件；
S5、将步骤S4生成的网格文件导入到Fluent计算软件中，迭代次数设置为200～1000，计算流体区域流线；
S6、通过对比尖角与圆角模型计算出的流体区域流线即可得到圆角的减摩机理。
进一步地，尖角与圆角模型计算出的流体区域流线明显不同，硅颗粒凸出边角为尖角的两侧出现涡流，而圆角的两侧流线平滑过渡，涡流伴随着能量的损失，上壁面运动所产生的能量转换成聚集在涡流中的旋转能量，对润滑油的承载不利，计算结果说明，高硅铝合金缸套表面硅颗粒凸出的边角为圆角可以减少涡流出现的几率，润滑效果较好，减小摩擦系数，改善了缸套的摩擦性能。
进一步地，利用Fluent有限元流体分析软件构建凸出的硅颗粒与上壁面之间的润滑油区域，以此推理圆角的减摩机理。
进一步地，用计算出的流体区域流线是否形成涡流来解释缸套摩擦性能改善机理。
本发明具有以下有益效果：
通过Fluent有限元流体分析软件构建凸出的硅颗粒与上壁面之间的润滑油区域，以计算出的流体区域流线是否形成涡流来解释缸套摩擦性能改善机理，操作简单，为高硅铝合金缸套表面加工工艺提供理论支持，便于工业应用的推广。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
在Fluent有限元流体分析软件中，绘制出单个硅颗粒凸出形状的物理模型，物理模型内部区域为润滑油流动区域，设置周期性边界条件模拟表面润滑油流场的分布情况。设置上壁面流动速度为0.3 m/s，左右两侧为周期性边界，左侧为入口，右侧为出口。设置硅颗粒凸出高度为2 μm，润滑油膜厚度为5 μm，润滑油粘度为0.07 Pa·s，润滑油密度为870 kg/m3。为了方便比对结果，设置圆角与尖角的硅颗粒模型时，凸出高度相同，圆角在凸出高度一半时进行倒角处理，其余条件与尖角完全一致。进行网格划分，设置致密型网格。计算时迭代次数设置为500。尖角与圆角模型计算出的流体区域流线明显不同，硅颗粒凸出边角为尖角的两侧出现涡流，而圆角的两侧流线平滑过渡。涡流伴随着能量的损失，上壁面运动所产生的能量转换成聚集在涡流中的旋转能量，对润滑油的承载不利。计算结果说明，高硅铝合金缸套表面硅颗粒凸出的边角为圆角可以减少涡流出现的几率，润滑效果较好，减小摩擦系数，改善了缸套的摩擦性能。
实施例2
在Fluent有限元流体分析软件中，绘制出单个硅颗粒凸出形状的物理模型，物理模型内部区域为润滑油流动区域，设置周期性边界条件模拟表面润滑油流场的分布情况。设置上壁面流动速度为0.5 m/s，左右两侧为周期性边界，左侧为入口，右侧为出口。设置硅颗粒凸出高度为1 μm，润滑油膜厚度为4 μm，润滑油粘度为0.05 Pa·s，润滑油密度为870 kg/m3。为了方便比对结果，设置圆角与尖角的硅颗粒模型时，凸出高度相同，圆角在凸出高度一半时进行倒角处理，其余条件与尖角完全一致。进行网格划分，设置致密型网格。计算时迭代次数设置为300。尖角与圆角模型计算出的流体区域流线明显不同，硅颗粒凸出边角为尖角的两侧出现涡流，而圆角的两侧流线平滑过渡。涡流伴随着能量的损失，上壁面运动所产生的能量转换成聚集在涡流中的旋转能量，对润滑油的承载不利。计算结果说明，高硅铝合金缸套表面硅颗粒凸出的边角为圆角可以减少涡流出现的几率，润滑效果较好，减小摩擦系数，改善了缸套的摩擦性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、构建硅颗粒凸出形状的物理模型
考虑到颗粒的重复性，选取单个凸出的硅颗粒作为研究对象，物理模型内部区域为润滑油流动区域，设置周期性边界条件模拟表面润滑油流场的分布情况；
S2、在Fluent有限元流体分析软件中，绘制出步骤S1所构建的物理模型，设置上壁面流动速度为0.1～1 m/s，左右两侧为周期性边界，左侧为入口，右侧为出口；
S3、设置硅颗粒凸出高度为1～2 μm，润滑油膜厚度为4～10 μm，润滑油粘度为0.04～0.10 Pa·s，润滑油密度为870 kg/m3；为了方便比对结果，设置圆角与尖角的硅颗粒模型时，凸出高度相同，圆角在凸出高度一半时进行倒角处理，其余条件与尖角完全一致；
S4、进行网格划分，设置致密型网格，在mesh模块中的solver preference中选择“Fluent”，在sizing中的relevance center选择“Fine”，点击Update生成网格文件；
S5、将步骤S4生成的网格文件导入到Fluent计算软件中，迭代次数设置为200～1000，计算流体区域流线；
S6、通过对比尖角与圆角模型计算出的流体区域流线即可得到圆角的减摩机理。
2.如权利要求1所述的一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法，其特征在于，尖角与圆角模型计算出的流体区域流线明显不同，硅颗粒凸出边角为尖角的两侧出现涡流，而圆角的两侧流线平滑过渡，涡流伴随着能量的损失，上壁面运动所产生的能量转换成聚集在涡流中的旋转能量，对润滑油的承载不利，计算结果说明，高硅铝合金缸套表面硅颗粒凸出的边角为圆角可以减少涡流出现的几率，改善了缸套的摩擦性能。
3.根据权利要求1所述的一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法，其特征在于，利用Fluent有限元流体分析软件构建凸出的硅颗粒与上壁面之间的润滑油区域，以此推理圆角的减摩机理。
4.根据权利要求1所述的一种高硅铝合金缸套表面硅颗粒形态对其摩擦性能影响的表征方法，其特征在于，用计算出的流体区域流线是否形成涡流来解释缸套摩擦性能改善机理。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 李承娣: "高硅铝合金缸套表面整形及其对摩擦磨损性能影响研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士) 工程科技Ⅱ辑》 * |
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