CN110119576A - 一种基于adina二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，属于仿真分析等数据处理技术领域，采用流固耦合的方法进行弹流润滑分析，所述方法包括以下步骤：步骤1：点接触模型等效：以点接触弹流润滑实验的模型为基础，等效成当量弹性球体和无线大的刚性平板接触；步骤2：建立弹流模型；步骤3：绘制模型网格；步骤4：写入粗糙度模型；步骤5：对ADINA的FSI模块进行二次开发，写入非牛顿流体效应和热效应的参数；步骤6：ADINA设置边界条件；步骤7：模型后处理；步骤8：验证。本发明创造性地采用流固耦合的方法进行弹流润滑分析，更加真实地反映弹流润滑的实际情况，为提供高质量的弹流润滑设计方案提供帮助。
Description
技术领域
本发明涉及传真分析等数据处理技术领域，具体涉及一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法。
背景技术
弹流润滑的全称叫弹性流体动力润滑，是具有变粘性系数润滑膜和弹性变形接触面的润滑。例如，齿轮啮合时的润滑以及球轴承的球体与内、外圈之间的润滑。它们的共同特点是载荷作用在微小的接触面积上，形成高压区，从而使润滑剂的粘性系数发生变化，接触面发生弹性变形。准确掌握弹流润滑情况，可以显著提升轴承、齿轮等零件的使用寿命。
目前，弹流润滑的分析途径主要有两种：有限元方法和理论计算方法。有限元方法大多忽略结构模型的变形，仅采用流体力学方法对流体区域进行计算，不能得到经典的弹流润滑形态，如压力二次高峰、油膜颈缩等现象。部分有限元方法即使考虑了耦合系统对弹流的影响，也仅限于理想弹流润滑分析，忽略了实际弹流过程的热效应、流变效应和粗糙效应等因素对弹流润滑的影响，所以得到的油膜厚度解及摩擦系数解不够准确。而理论计算方法仅根据一类弹流接触问题进行建模，如点接触或线接触，而且对计算区域进行了理想化假设，脱离了工程实际，对于其他复杂的弹流接触问题也难得到准确的解。
因此，开发一种不仅能考虑实际因素影响，还能运用于复杂的接触问题的弹流润滑仿真方法显得格外重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，通过对ADINA进行二次开发和MATLAB粗糙度数据的写入，综合考虑了热效应、流变效应和粗糙度效应，从而有效地模拟了实际情况下的弹流润滑，并通过点接触弹流润滑油膜厚度和摩擦系数实验验证了仿真方法的正确性，为其他复杂弹流模型的分析方法提供了方法依据，解决了现有技术无法得到准确解、适应性差的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法其，采用流固耦合的方法进行弹流润滑分析，所述方法包括以下步骤：
步骤1：点接触模型等效
以点接触弹流润滑实验的模型为基础，等效成当量弹性球体和无线大的刚性平板接触，当量弹性球体的弹性模量和曲率半径由下式表达；
当量弹性球体的弹性模量：
当量弹性球体的曲率半径：
其中，E为综合弹性模量，E1为当量弹性球体的弹性模量，E2为刚性平板的弹性模量，υ1为当量弹性球体的泊松比，υ2为刚性平板的泊松比；
R为综合曲率半径，R1为当量弹性球体的曲率半径，R2为刚性平板的曲率半径；
步骤2：建立弹流模型
根据点接触等效后的尺寸建立弹流模型，所述弹流模型包括结构模型和流体模型；
步骤3：绘制模型网格
步骤4：写入粗糙度模型
用MATLAB读入模型文件，把粗糙度数据以坐标形式写入流固耦合面的节点上，保证流固耦合面上的节点坐标一致；
步骤5：对ADINA的FSI模块进行二次开发，写入非牛顿流体效应和热效应
步骤6：ADINA设置边界条件
将结构网格模型和流体网格模型导入ADINA中进行边界条件设置，包括流固耦合面设置，约束设置，加载力F设置，壁面速度V1,V2设置；
步骤7：模型后处理
对有限元模型进行计算，完成后用MATLAB读取计算结果，并绘制三维油膜压力和三维油膜厚度图；
步骤8：验证
分析各工况的油膜厚度及摩擦系数，与实验结果对比，验证仿真方法的可行性。
进一步，步骤3中，当量弹性球体面绘制三层密网格，刚性平板绘制一层密网格，其余区域为一层网格。
进一步，步骤3中，流体模型的网格为四面体网格。
进一步，步骤3中，各个面设置为不同的PID。
进一步，步骤5中，ADINA二次开发包括用FORTRAN语言编写流体的粘压温模型、密压温模型、非牛顿流体模型、生热模型，经编译后形成动态链接库文件，替换原有的动态链接库文件，其中，粘压温模型、密压温模型、非牛顿流体模型、生热模型分别由下式表达：
粘压温方程：
密压温方程：
非牛顿流体方程：
能量方程：
式中，η为润滑剂粘度，η0为润滑剂环境粘度，p为压力，Z0为Roelands粘压系数，Z0＝α/[5.1×10-9(lnη0+9.67)]，T为温度，T0为环境温度，ρ为润滑剂密度，ρ0为润滑剂环境密度，η*为考虑流变效应后的润滑剂粘度，τe为实际剪应力，τ0为特征剪应力，k为润滑油的导热系数，cp为润滑油等压比热容。
进一步，步骤8中，所述实验包括油膜厚度实验和摩擦系数实验。
本发明的有益效果在于：
本发明通过对ADINA二次开发和MATLAB数据的写入，综合考虑了热效应、流变效应和粗糙度效应，从而更加真实地模拟了弹流润滑，并通过油膜厚度和摩擦系数实验验证了仿真方法的正确性，实现了闭环工作，使本发明的可靠性得到保障，为其他复杂弹流模型的分析方法提供了方法依据。
总之，本发明创造性地采用流固耦合的方法进行弹流润滑分析，更加真实地反映弹流润滑的实际情况，为提供高质量的弹流润滑设计方案提供帮助。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为弹流润滑的等效模型；
图3为弹流润滑的局部模型；
图4为图3的有限元模型；
图5为图4中结构模型的边界条件设置图；
图6为图4中流体模型的边界条件设置图；
图7为三维油膜压力图；
图8为三维油膜厚度图；
图9为中心线上的油膜压力和油膜厚度图；
图10为油膜厚度等高线图；
图11实验油膜图；
图12载荷为40N的油膜厚度与实验对比图；
图13载荷为50N的油膜厚度与实验对比图；
图14载荷为60N的油膜厚度与实验对比图；
图15载荷为70N的油膜厚度与实验对比图；
图16为不同滑滚比下摩擦系数实验结果图；
图17为不同卷吸速度下的最大摩擦系数和极限剪应力分布图；
图18为摩擦系数与实验对比图；
图19为不同时刻油膜温升图；
图20为粗糙度数据图；
图21为带粗糙度的油膜压力图；
图22为为同光滑表面油膜厚度的对比图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“相同”等术语并不表示要求部件绝对相同，而是可以存在微小的差异。术语“垂直”仅仅是指部件之间的位置关系相对“平行”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
本实施例提供一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，采用流固耦合的方法进行弹流润滑分析，如图1所示，具体包括以下步骤：
1、点接触模型等效
以点接触弹流润滑实验的模型为基础，等效成当量弹性球体1与无线大的刚性平板2通过油膜3接触，如图2所示，当量弹性球体简称为接触体I，刚性平板称为接触体II,当量弹性球体的弹性模量计算公式见(1)和曲率半径计算公式见(2)。
当量弹性球体的弹性模量：
当量弹性球体的曲率半径：
上式中，E为综合弹性模量，E1为接触体I的弹性模量，E2为接触体II的弹性模量，υ1为接触体I的泊松比，υ2为接触体II的泊松比。R为综合曲率半径，R1为接触体I的曲率半径，R2为接触体II的曲率半径。
本实施例的E为131MPa，R为11.1125mm。
2、建立弹流局部模型
根据点接触等效后的尺寸建立弹流模型(仅考虑局部接触部分)，包括结构模型和流体模型，尺寸大小分别为：
接触体I 1000um×1000um×1000um；
接触体II 1000um×1000um×500um；
流体1000um×1000um；
初始最小油膜厚度为0.5um，如图3所示。
3、ANSA绘制模型网格
根据模型整体尺寸大小合理选择网格尺寸大小，此处网格尺寸大小为10um，靠近流固耦合面网格加密。
由于球体为弹性材料，平板为刚性材料，故球体面绘制三层密网格，平板面绘制一层密网格，其余区域用一层网格代替，网格细节部分如图4所示。
流体模型的网格为四面体，方便在ADINA中设置自适应动网格。把各个面设置为不同的PID，方便在ADINA中进行边界条件的设置。网格文件以NASTRAN的格式导出。
步骤4：MATLAB写入粗糙度模型
使用MATLAB读入模型文件，并把粗糙度数据以坐标形式写入流固耦合面的节点上，保证流固耦合面上的节点坐标一致，保存为新的网格模型文件。
步骤5：对ADINA的FSI模块进行二次开发
用FORTRAN语言编写流体的粘压温模型(3)、密压温模型(4)、非牛顿流体模型(5)、生热模型(6)等，经编译后形成动态链接库文件，替换原有的动态链接库文件。
粘压温方程：
密压温方程：
非牛顿流体方程：
能量方程：
上式中，η为润滑剂粘度，η0为润滑剂环境粘度，p为压力，Z0为Roelands粘压系数，Z0＝α/[5.1×10-9(lnη0+9.67)]，T为温度，T0为环境温度，ρ为润滑剂密度，ρ0为润滑剂环境密度，η*为考虑流变效应后的润滑剂粘度，τe为实际剪应力，τ0为特征剪应力，k为润滑油的导热系数，cp为润滑油等压比热容。
此处η0为0.048Pa.s，ρ0为993.7kg/m3。
6、ADINA设置边界条件
将结构网格模型和流体网格模型导入ADINA中进行边界条件设置，包括流固耦合面设置，约束设置，加载力F设置(F＝50N)，如图5所示,壁面速度V1,V2设置等(V1＝V2＝1m/s)，如图6所示。在流体模型中选择用户自定义材料模型，并设置自适应动网格。分别设置求解控制参数，采用direct耦合方式进行流固耦合数值计算。
7、模型后处理
用MATLAB读模型计算结果，并绘制三维油膜压力图、三维油膜厚度图及中心线上的油膜压力和油膜厚度图,分别如图7、图8及图9所示。
同时，油膜厚度的等高线图如图10所示，油膜呈现出马蹄形状，最小油膜厚度位于中心线的“耳垂”两侧。由结果可以看出，在出口位置出现了压力二次高峰和油膜颈缩现象，这是经典的弹流润滑特征，说明该仿真方案与弹流润滑十分吻合。
8、验证
分析各工况的油膜厚度及摩擦系数，与实验结果对比，验证仿真方法的可行性，本次实验对油膜厚度及摩擦系数的测量采用由天津华海清科机电科技有限公司研制的TFM-150润滑膜厚及摩擦系数测量仪测量。
1)油膜厚度实验
主要考虑的变量主要有载荷，卷吸速度两种，针对载荷设计4个参数进行测试，针对卷吸速度设置5个参数进行测试，观察其膜厚变化规律，且每组测试重复三组，确保其结果的稳定性。温度为25℃，滑滚比为0。试验方案下表所示：
油膜厚度实验方案
图11为点接触弹流实验拍摄的油膜图像，图11所示的点接触弹流实验拍摄的油膜图像，两者几乎一致；
图12-图15，分别示出了载荷为40N、50N、60N、70N工况下油膜厚度与实验结果对比图。由图可知,仿真计算得油膜厚度结果和实验值高度匹配；
2)摩擦系数实验
主要考虑的变量主要卷吸速度，滑滚比两种，针对卷吸速度设置6个参数进行测试，滑滚比范围为(-0.4-0.4)。试验方案下表所示：
摩擦系数实验方案
一般来说，可以把润滑油的极限剪应力视为特征剪应力计算，根据已有的摩擦系数实验数据确定极限剪应力。摩擦系数实验数据结果如图16所示，不同卷吸速度下的最大摩擦系数和极限剪应力分布如图17所示。考虑到实验中测量的滑滚比范围较小，摩擦系数未到最高值，故取特征剪应力略大于13.7MPa。摩擦系数与实验对比结果如图18所示，由图可知，当F＝50N,V＝1m/s时，设置非牛顿流体得特征剪应力为15MPa时，ADINA计算得摩擦系数值与实验值大致匹配，说明经二次开发的非牛顿模型设置正确。
带热效应的仿真结果：不同时刻的油膜温升图如图19所示，由图可知，二次开发的体热源可以有效模拟油膜内部的摩擦生热情况，当两表面滑动大时，油膜内部生热高；滑动小时，油膜内部生热低。
带粗糙度效应的仿真结果：图20为MATLAB写入的粗糙度数据，粗糙度数据由实验测得，图21为带粗糙度的油膜压力图，图22为同光滑表面油膜厚度的对比图。由结果可知，在粗糙峰处，油膜压力急剧上升，相应的该处由于粗糙峰的存在，油膜厚度发生了一定的变化。
从上述结果可以看出，本弹流模型仿真方法可以准确模拟点接触的油膜厚度和摩擦系数，并可以通过对ADINA进行二次开发和MATLAB粗糙度数据写入来模拟实际情况下的点接触弹流润滑情况。
本发明通过对ADINA的材料模型进行二次开发，考虑了热效应，流变效应，通过MATLAB写入粗糙度数据，考虑了粗糙度效应，从而有效地模拟了实际情况下的弹流润滑，并通过点接触弹流润滑油膜厚度和摩擦系数实验验证了仿真方法的正确性，为其他复杂弹流模型的分析方法提供了方法依据。相较于理论计算方法，本发明不但计算效率高，展示的结果丰富，而且适用性广，可广泛用于复杂弹流接触模型中。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，其特征在于：采用流固耦合的方法进行弹流润滑分析，所述方法包括以下步骤：
步骤1：点接触模型等效
以点接触弹流润滑实验的模型为基础，等效成当量弹性球体和无线大的刚性平板接触，当量弹性球体的弹性模量和曲率半径由下式表达；
当量弹性球体的弹性模量：
当量弹性球体的曲率半径：
其中，E为综合弹性模量，E1为当量弹性球体的弹性模量，E2为刚性平板的弹性模量，υ1为当量弹性球体的泊松比，υ2为刚性平板的泊松比；
R为综合曲率半径，R1为当量弹性球体的曲率半径，R2为刚性平板的曲率半径；
步骤2：建立弹流模型
根据点接触等效后的尺寸建立弹流模型，所述弹流模型包括结构模型和流体模型；
步骤3：绘制模型网格
步骤4：写入粗糙度模型
用MATLAB读入模型文件，把粗糙度数据以坐标形式写入流固耦合面的节点上，保证流固耦合面上的节点坐标一致；
步骤5：对ADINA的FSI模块进行二次开发，写入非牛顿流体效应和热效应的参数
步骤6：ADINA设置边界条件
将结构网格模型和流体网格模型导入ADINA中进行边界条件设置，包括流固耦合面设置，约束设置，加载力F设置，壁面速度V1,V2设置；
步骤7：模型后处理
对有限元模型进行计算，完成后用MATLAB读取计算结果，并绘制三维油膜压力和三维油膜厚度图；
步骤8：验证
分析各工况的油膜厚度及摩擦系数，与实验结果对比，验证仿真方法的正确性。
2.根据权利要求1所述的一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，其特征在于：步骤3中，当量弹性球体面绘制三层密网格，刚性平板绘制一层密网格，其余区域为一层网格。
3.根据权利要求1所述的一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，其特征在于：步骤3中，流体模型的网格为四面体网格。
4.根据权利要求1所述的一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，其特征在于：步骤3中，各个面设置为不同的PID。
5.根据权利要求1所述的一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，其特征在于：步骤5中，ADINA二次开发包括用FORTRAN语言编写流体的粘压温模型、密压温模型、非牛顿流体模型、生热模型，经编译后形成动态链接库文件，替换原有的动态链接库文件，其中，粘压温模型、密压温模型、非牛顿流体模型、生热模型分别由下式表达：
粘压温方程：
密压温方程：
非牛顿流体方程：
能量方程：
式中，η为润滑剂粘度，η0为润滑剂环境粘度，p为压力，Z0为Roelands粘压系数，Z0＝α/[5.1×10-9(lnη0+9.67)]，T为温度，T0为环境温度，ρ为润滑剂密度，ρ0为润滑剂环境密度，η*为考虑流变效应后的润滑剂粘度，τe为实际剪应力，τ0为特征剪应力，k为润滑油的导热系数，cp为润滑油等压比热容。
6.根据权利要求1所述的一种基于ADINA二次开发的点接触弹流润滑仿真分析方法，其特征在于：步骤8中，所述实验包括油膜厚度实验和摩擦系数实验。
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