CN112668217B - 基于设计型线的主轴承液体动力润滑的分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑仿真分析方法及装置，本发明考虑了变速箱对飞轮的支撑刚度，建立动力总成的有限元模型；分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减；完成柔性体单元及连接单元的建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；通过线性差分法计算得到主轴承参数化的设计型线，建立主轴承弹性液体动力润滑分析模型，分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。通过本发明可以提升建模准确性，更高效地完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
Description
技术领域
本发明属于发动机轴承动力技术领域，更具体地，涉及一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析方法及装置。
背景技术
发动机主轴承是将活塞、连杆传来的气体力转变成扭矩，用以驱动汽车的传动系统和配气机构以及其他辅助装置的主要承载体，是发动机重要的摩擦副之一。主轴承在工作中承受交变载荷和高速摩擦，如果主轴承的动力润滑状况不良，会发生边缘磨损，热载过高等，缩短主轴承的使用寿命，直接影响内燃机可靠性与耐久性。传统的轴承可靠耐久性是通过台架试验进行验证，周期长，成本高，且现有试验条件无法进行多工况验证，有一定的局限性。因此，在发动机主轴承的设计开发过程中，通过弹性液体润滑仿真分析来评价主轴承的可靠耐久性能，是一种快速预测的有效手段，能够缩短主轴承的设计开发周期，节约生产成本。
参考专利申请CN107341276A公开了一种对发动机性能进行评估的方法及系统，包括：对发动机的有限元模型进行求解，得到模态分析结果；获取预设的模拟载荷参数，并利用模拟载荷参数和模态分析结果对发动机的有限元模型进行动力学计算分析，得到发动机的有限元模型中各部分的振动水平相关参数；根据各部件的振动水平相关参数中各参数的具体值和预设的各部件的振动水平相关参数中各参数的理想范围两者之间的关系，对发动机的性能进行评估。
但现有技术建模过程中未考虑到变速箱对飞轮的支撑刚度可以改善飞轮的动态特性，削弱飞轮的陀螺效应，从而减小曲轴各个曲拐的内弯矩(对最后一拐的影响尤为显著)，这将直接影响到主轴承的润滑性能。另外，现有技术在进行有限元模型缩减时，没有根据节点的特性对节点进行分类定义，计算效率较低。
参考专利申请CN100495412C公开了一种发动机曲轴动力学分析方法，包括：采用子结构分析法，直接利用3D实体单元FE模型，定义主自由度节点。将FE模型中的所有单元压缩到定义的所有主自由度节点上。利用MSC/PATRAN在主自由度节点处加上一个刚性层RBE2用来分散载荷。利用有限元模态分析求解器MSC/NASTRAN将模型压缩至主自由度节点上。但现有技术定义主自由度节点时，没有根据节点特性将载荷施加点、零件之间的耦合点、反映机构动力学特性(运动、变形和受力)的这三类节点具体分类定义，不能准确反映结构体的受力状态，仿真模型精度不足。
另一方面，现代发动机广泛采用径向变壁厚的轴瓦，以适应轴颈变形，增加轴瓦在承载区的几何间隙，有利于机油分布，避免发生边缘磨损，保证主轴承具有良好的润滑性能。现有发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析，在主轴承建模过程中，输入参数主要包括主轴承宽度、直径、轴承间隙、油孔、油槽等结构参数，主轴承的表面粗糙度、弹性模量、泊松比等材料属性参数，并未考虑轴瓦壁厚不均等这一微米级的尺寸变化，导致主轴承的输入边界不准确，直接影响主轴承弹性液体动力润滑仿真分析的精度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析方法及装置，可以提升建模准确性，更高效地进行主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析方法，包括：
S1：考虑变速箱对飞轮的支撑刚度，建立动力总成的有限元模型；
S2：根据节点特性，分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减，其中，将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，机构动力学特性包括运动、变形和受力；
S3：完成柔性体单元的模块化建模，完成连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件的定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；
S4：通过线性差分法，计算得到主轴承参数化的设计型线，建立主轴承弹性液体动力润滑分析模型，分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
在一些可选的实施方案中，步骤S1包括：
S1.1：建立发动机本体有限元模型，包括：缸盖、缸套、上缸体、下缸体、主轴承、主轴承盖、螺栓及前端链壳，其中，主轴承采用一阶六面体网格，厚度方向均匀布置若干层网格，周向网格节点均匀分布，轴向网格节点不均匀分布且关于主轴承宽度方向呈中心对称，从主轴承中心到两侧，网格长度依次递减，除主轴承外，其他零部件均采用二阶四面体网格；
S1.2：考虑到变速箱对飞轮的支撑刚度可以改善飞轮的动态特性，削弱飞轮的陀螺效应，减小曲轴各个曲拐的内弯矩，建立变速箱壳体及输入轴的有限元模型，结合发动机本体有限元模型，建立动力总成的有限元模型。
在一些可选的实施方案中，步骤S2包括：
S2.1：将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，对主轴承的弹性液体动力润滑分析来说，需要自定义主节点的零部件包括：燃烧室、缸套、主轴承，止推轴承、悬置及变速箱；
S2.2：利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减。
在一些可选的实施方案中，步骤S2.1包括：
S2.11：燃烧室主节点通过建立RBE2单元，保证每缸的若干个RBE2单元中心节点完全对称，且在气缸中心的一个圆上；
S2.12：缸套主节点建立在主推力面TS侧和次推力面ATS侧的气缸中心线平面上，需在缸径位置上，主节点之间的距离差在预设范围内，缸套最上节点和最下节点不选做主节点；
S2.13：主轴承主节点选择主轴承有限元网格内表面的全部节点，且主轴承的主节点在周向等间距分布，在轴向设定若干层；
S2.14：左、右止推轴承各定义若干个主节点，在周向确定位置间隔预设距离且对称分布；
S2.15：悬置主节点属于零件之间的耦合点，通过建立RBE2单元，施加x、y、z三个方向的结构刚度和阻尼；
S2.16：选取变速箱输入轴的轴承中心点作为变速箱的主节点，通过建立RBE2单元，设定变速箱输入轴的轴承中心点为变速箱的主节点。
在一些可选的实施方案中，步骤S2.2包括：
利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法，用零部件的主节点来定义结构体的几何信息、自由度信息、质量矩阵和刚度矩阵，完成对结构体模态参数的压缩简化，生成动力总成的缩减子结构文件，完成动力总成有限元模型的模态缩减。
在一些可选的实施方案中，步骤S4包括：
S4.1：基于动力总成的多体动力学模型，设定主轴承的结构参数、材料属性参数，设定供油边界条件，设定机油的物性参数，完成主轴承的模块化建模；
S4.2：通过线性差分法，计算得到主轴承参数化的设计型线；
S4.3：建立主轴承的弹性液体动力润滑分析模型，分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
在一些可选的实施方案中，步骤S4.2包括：
S4.21：在主轴承上轴瓦选取若干测点，得到各测点位置的轴瓦壁厚减薄量，并根据测点位置的轴瓦壁厚减薄量计算得到主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄量；
S4.22：根据主轴承上轴瓦的对称性，拟合得到主轴承上轴瓦的各测点周向截面的角度-相对壁厚的变化曲线；根据曲线线性差分法计算得到其他角度所对应的相对壁厚；根据主轴承上、下轴瓦的对称性，得到主轴承参数化的设计型线。
在一些可选的实施方案中，步骤S4.21包括：
由
得到主轴承上轴瓦第一测点与中心点的连线与水平轴的夹角
由L1＝L得到第一测点位置的轴瓦壁厚减薄量L1，由
得到主轴承上轴瓦第四测点与中心点的连线与水平轴的夹角
由
得到第四测点位置的轴瓦壁厚减薄量L2，按照线性变化关系，主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄分量L3*为：
按照主轴承的设计要求，主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄分量L3*′为：L3*′＝L′，则主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄量为：
其中，r为主轴承装配后的半径，h1为第一测点到主轴承上轴瓦端面的高度，第一测点和第二测点对称分布，且第一测点和第二测点比第三测点的壁厚小L微米，第三测点坐标为(r,0)，h2为第四测点到主轴承上轴瓦端面的高度，考虑到主轴承上轴瓦的装配变形，为保证应力的均匀性，按照主轴承的设计要求，主轴承上轴瓦在
处沿轴瓦两端全宽范围内，轴瓦壁厚均匀减薄L′微米。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析装置，包括：
动力总成有限元模型建立模块，用于考虑变速箱对飞轮的支撑刚度，建立动力总成的有限元模型；
模态缩减模块，用于根据节点特性，分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减，其中，将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，机构动力学特性包括运动、变形和受力；
动力总成的多体动力学模型建立模块，用于完成柔性体单元的模块化建模，完成连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件的定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；
设计型线获取模块，用于通过线性差分法计算得到主轴承参数化的设计型线；
主轴承弹性液体动力润滑分析模型建立模块，用于建立主轴承弹性液体动力润滑分析模型；
分析模块，用于分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供了一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑仿真分析，可以提升建模准确性，更高效地进行主轴承的可靠耐久性能评价和优化，缩短主轴承设计开发和验证周期，节约生产成本。
本发明考虑了变速箱对飞轮的支撑刚度可以改善飞轮的动态特性，削弱飞轮的陀螺效应，减小曲轴各个曲拐的内弯矩，建立了动力总成的有限元模型和多体动力学分析模型，更精准地模拟在动力总成特征工况下曲轴及主轴承的受力状态，更加贴合实车状态，提高主轴承弹性液体动力润滑分析的仿真精度。
本发明根据节点特性，分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减，利用缩减子结构完成主轴承弹性液体动力润滑分析模型的建立与仿真分析，能极大的减少计算量，节省计算资源和时间，提高工作效率。
本发明提供了一种发动机主轴承设计型线的计算方法，为主轴承的弹性液体动力润滑分析提供更准确的输入边界和优化边界，提高了主轴承可靠耐久性能判定的准确性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种发动机本体各零部件的有限元模型的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种主轴承有限元模型的网格划分规则的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种变速箱有限元模型的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种动力总成的有限元模型的示意图；
图7是本发明实施例提供的一种分类自定义主节点的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种燃烧室主节点的示意图；
图9是本发明实施例提供的一种缸套主节点的示意图；
图10是本发明实施例提供的一种主轴承主节的点示意图；
图11是本发明实施例提供的一种止推轴承主节点的示意图；
图12是本发明实施例提供的一种悬置主节点的示意图；
图13是本发明实施例提供的一种变速箱主节点的示意图；
图14是本发明实施例提供的一种曲轴主轴承上轴瓦的部分工程零件图的示意图；
图15是本发明实施例提供的一种主轴承上轴瓦各测点周向角度-相对壁厚的变化曲线示意图；
图16是本发明实施例提供的一种主轴承参数化的设计型线示意图；
图17是本发明实施例提供的一种主轴承的弹性液体动力润滑分析模型示意图；
图18是本发明实施例提供的一种主轴承的峰值粗糙接触压力变化曲线示意图；
图19是本发明实施例提供的一种主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图示意图；
图20是本发明实施例提供的一种主轴承的峰值总压力变化曲线示意图；
图21是本发明实施例提供的一种主轴承的峰值总压力分布云图示意图；
图22是本发明实施例提供的一种主轴承的平均热载分布云图示意图；
图23是本发明实施例提供的一种主轴承的最小油膜厚度变化曲线示意图；
图24是本发明实施例提供的一种主轴承的峰值油膜压力变化曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示是本发明实施例提供的一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1：考虑变速箱对飞轮的支撑刚度，建立动力总成的有限元模型；
S2：根据节点特性，分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减，其中，将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，机构动力学特性包括运动、变形和受力；
S3：完成柔性体单元的模块化建模，完成连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件的定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；
S4：通过线性差分法，计算得到主轴承参数化的设计型线，建立主轴承弹性液体动力润滑分析模型，分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
以图2所示的基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析方法的流程示意图对各步骤实现方式进行详细说明。
在本发明实施例中，步骤S1可以通过以下方式实现：
S1.1：建立发动机本体的有限元模型，包括：缸盖、缸套、上缸体、下缸体、主轴承、主轴承盖、螺栓、前端链壳等。除主轴承外，其他非运动零部件均采用二阶四面体网格，如图3所示。
主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析对主轴承有限元模型的网格划分有明确规定，要求主轴承采用一阶六面体网格，厚度方向一般均匀布置若干层(如2～3层)网格；周向网格节点均匀分布，一般40/60个网格；轴向网格节点不均匀分布且关于主轴承宽度方向呈中心对称，从主轴承中心到两侧，网格长度依次递减，优选地，网格长度依次为b/4、b/6、b/12，其中，b为主轴承宽度，如图4所示；
S1.2：考虑到变速箱对飞轮的支撑刚度可以改善飞轮的动态特性，削弱飞轮的陀螺效应，从而减小曲轴各个曲拐的内弯矩(对最后一拐的影响尤为显著)，这将直接影响到主轴承的润滑性能。因此建立变速箱有限元模型，包括变速箱壳体及输入轴，如图5所示。结合发动机本体有限元模型，建立动力总成的有限元模型，如图6所示。
在本发明实施例中，步骤S2可以通过以下方式实现：
S2.1：总体来说，对于主轴承的弹性液体动力润滑分析，主节点可分为三类：载荷施加点、零件之间的耦合点、反映机构动力学特性(运动、变形和受力)的节点。本发明实施例中需要自定义主节点的零部件包括燃烧室、缸套、主轴承，止推轴承、悬置、变速箱等，如图7所示。
S2.2：利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法，用零部件的主节点来定义结构体的几何信息、自由度信息、质量矩阵和刚度矩阵，完成对结构体模态参数的压缩简化，生成动力总成的缩减子结构文件，完成动力总成有限元模型的模态缩减。
在本发明实施例中，进一步地，步骤S2.1可以通过以下方式实现：
S2.11：燃烧室主节点定义，如图8所示。燃烧室主节点的作用是加载燃气力，必须建立RBE2单元，保证每缸的四个RBE2单元中心节点完全对称，在气缸中心的一个圆上，避免燃气力加载的不平衡；
S2.12：缸套主节点定义，如图9所示。缸套主节点的作用是加载活塞侧向敲击力，必须建立在主推力面TS侧和次推力面ATS侧的气缸中心线平面上，必须在缸径的精确位置上，主节点之间的距离差在预设范围内，其中，预设范围尽量小，以保证主节点之间的距离尽量相等，缸套最上、最下节点，是活塞通常不会接触的地方，可以不选做主节点；
S2.13：主轴承主节点定义，如图10所示。主轴承主节点的作用是加载主轴承载荷，选择主轴承有限元网格内表面的全部节点，且必须周向等间距分布，宽度方向设定7层；
S2.14：止推轴承主节点定义，如图11所示。止推轴承主节点的作用是加载轴向载荷，保证曲轴轴向的正确定位，避免过大的轴向窜动，曲轴的轴向传动过大将影响活塞连杆组的正常工作和破坏正确的配气定时。左、右止推轴承，各定义若干个(如图11中左、右各4个)主节点，在周向精确位置，间隔预设距离(如90deg)、对称分布；
S2.15：悬置主节点定义，如图12所示。悬置主节点属于零件之间的耦合点，通过建立RBE2单元，施加x、y、z三个方向的结构刚度和阻尼，使动力总成的受力状况更为贴近实车状态，从而提高仿真精度；
S2.16：变速箱主节点定义，如图13所示。变速箱主节点的作用是给飞轮提供支撑刚度，改善飞轮的动态特性，削弱飞轮的陀螺效应，减小曲轴各个曲拐的内弯矩(对最后一拐的影响尤为显著)，这将直接影响到主轴承的润滑性能。通过建立RBE2单元，设定变速箱输入轴的轴承中心点为变速箱的主节点。
在本发明实施例中，步骤S3可以通过以下方式实现：
完成曲轴、连杆、变速箱输入轴等柔性体单元的模块化建模，完成活塞、缸套、连杆大头、离合器及悬置等连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件的定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型。
在本发明实施例中，步骤S4可以通过以下方式实现：
S4.1：基于动力总成多体动力学模型，设定主轴承的宽度、直径、轴承间隙、油孔、油槽等结构参数，设定主轴承的表面粗糙度、弹性模量、泊松比等材料属性参数，设定供油边界条件，设定机油粘度、密度、比热容等物性参数，完成主轴承的模块化建模；
S4.2：通过线性差分法，计算得到主轴承参数化的设计型线；
S4.3：建立主轴承的弹性液体动力润滑分析模型，分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
在本发明实施例中，进一步地，步骤S4.2可以通过以下方式实现：
S4.21：在主轴承上轴瓦选取若干测点，得到各测点位置的轴瓦壁厚减薄量，并根据测点位置的轴瓦壁厚减薄量计算得到主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄量；
S4.22：根据主轴承上轴瓦的对称性，拟合得到主轴承上轴瓦的各测点周向截面的角度-相对壁厚的变化曲线，如图15所示；根据曲线线性差分法计算得到其他角度所对应的相对壁厚；根据主轴承上、下轴瓦的对称性，得到主轴承参数化的设计型线，如图16所示，可以非常直观的看到，从主轴承中心位置至两端，轴瓦壁厚不均等且逐渐减薄的变化趋势。
现代发动机广泛采用径向变壁厚的轴瓦，以适应轴颈变形，增加轴瓦在承载区的几何间隙，有利于机油分布，避免发生边缘磨损，保证主轴承具有良好的润滑性能。主轴承参数化的设计型线，为主轴承弹性液体动力润滑仿真分析提供更准确的输入边界和优化边界，提高了主轴承弹性液体动力润滑分析的仿真精度。
在本发明实施例中，进一步地，步骤S4.21可以通过以下方式实现：
考虑到主轴承上、下轴瓦的对称性，以主轴承上轴瓦为例，如图14所示，建立主轴承上轴瓦局部坐标系，自定义测点1(即第一测点)坐标为(x1,y1)，测点2(即第二测点)坐标为(x2,y2)，测点3(即第三测点)坐标为(r,0)。
由
可得主轴承上轴瓦第一测点与中心点的连线与水平轴的夹角
如下：
测点1位置的轴瓦壁厚减薄量L1如下：
L1＝L
由
可得主轴承上轴瓦第四测点(即测点4)与中心点的连线与水平轴的夹角
如下：
测点4位置的轴瓦壁厚减薄量L2如下：
按照线性变化关系，主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄分量L3*如下：
按照主轴承的设计要求，主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄分量L3*′如下：L3*′＝L′
因此，主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄量为：
式中，r为主轴承装配后的半径；h1为测点1到主轴承上轴瓦端面的高度；测点1和测点2对称分布，且测点1和测点2比测点3的壁厚小L微米；h2为测点4(即第四测点)到主轴承上轴瓦端面的高度；考虑到主轴承上轴瓦的装配变形，为保证应力的均匀性，按照主轴承的设计要求，主轴承上轴瓦在
处沿轴瓦两端全宽范围内，轴瓦壁厚均匀减薄L′微米。上述参数也是主轴承零件验收时的重要检测项。
在本发明实施例中，进一步地，步骤S4.3可以通过以下方式实现：
基于主轴承的弹性液体动力润滑分析模型(如图17所示)，分析在动力总成特征工况(低速、低速扭矩点、额定转速及超速)下主轴承的润滑特性。本发明实施例中，以动力总成特征工况额定转速为例，分析某直列四缸发动机的主轴承的润滑特性，包括峰值粗糙接触压力变化曲线(如图18所示)及分布云图(如图19所示)、峰值总压力变化曲线(如图20所示)及分布云图(如图21所示)、平均热载分布云图(如图22所示)、最小油膜厚度变化曲线(如图23所示)、峰值油膜压力变化曲线(如图24所示)等仿真结果，其中，在图19中，(a)表示第一主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，(b)表示第二主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，(c)表示第三主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，(d)表示第四主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，(e)表示第五主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图；在图21中，(a)表示第一主轴承的峰值总压力分布云图，(b)表示第二主轴承的峰值总压力分布云图，(c)表示第三主轴承的峰值总压力分布云图，(d)表示第四主轴承的峰值总压力分布云图，(e)表示第五主轴承的峰值总压力分布云图；在图22中，(a)表示第一主轴承的平均热载分布云图，(b)表示第二主轴承的平均热载分布云图，(c)表示第三主轴承的平均热载分布云图，(d)表示第四主轴承的平均热载分布云图，(e)表示第五主轴承的平均热载分布云图。参照此仿真结果，能够更高效、更准确地进行主轴承的可靠耐久性能评价和优化，进一步提高主轴承弹性液体动力润滑分析的仿真精度，缩短主轴承设计开发和验证周期，节约生产成本。
在本发明实施例中，通过以上基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑仿真分析方法，考虑了变速箱对飞轮的支撑刚度可以改善飞轮的动态特性，减小曲轴各个曲拐的内弯矩，建立了动力总成的有限元模型和多体动力学分析模型，更精准地模拟在动力总成特征工况下曲轴及主轴承的受力情况，更加贴合实车状态，提高主轴承弹性液体动力润滑分析的仿真精度。通过分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减，利用缩减子结构完成主轴承弹性液体动力润滑分析模型的建立与仿真分析，能极大的减少计算量，节省计算资源和时间，提高工作效率。通过利用线性差分法计算得到主轴承参数化的设计型线，以曲线的形式直观的表征主轴承不等壁厚的变化趋势，为主轴承的弹性液体动力润滑分析提供更准确的输入边界和优化边界，提高了主轴承可靠性判定的准确性。
本申请还提供了一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析装置，包括：
动力总成有限元模型建立模块，用于考虑变速箱对飞轮的支撑刚度，建立动力总成的有限元模型；
模态缩减模块，用于根据节点特性，分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减，其中，将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，机构动力学特性包括运动、变形和受力；
动力总成的多体动力学模型建立模块，用于完成柔性体单元的模块化建模，完成连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件的定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；
设计型线获取模块，用于通过线性差分法计算得到主轴承参数化的设计型线；
主轴承弹性液体动力润滑分析模型建立模块，用于建立主轴承弹性液体动力润滑分析模型；
分析模块，用于分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析方法，其特征在于，包括：
S1：考虑变速箱对飞轮的支撑刚度，建立动力总成的有限元模型；
S2：根据节点特性，分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减，其中，将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，机构动力学特性包括运动、变形和受力；
S3：完成柔性体单元的模块化建模，完成连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件的定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；
S4：通过线性差分法，计算得到主轴承参数化的设计型线，建立主轴承弹性液体动力润滑分析模型，分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化；
步骤S2包括：
S2.1：将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，对主轴承的弹性液体动力润滑分析来说，需要自定义主节点的零部件包括：燃烧室、缸套、主轴承、止推轴承、悬置及变速箱；
S2.2：利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减；
步骤S2.1包括：
S2.11：燃烧室主节点通过建立RBE2单元，保证每缸的若干个RBE2单元中心节点完全对称，且在气缸中心的一个圆上；
S2.12：缸套主节点建立在主推力面TS侧和次推力面ATS侧的气缸中心线平面上，需在缸径位置上，主节点之间的距离差在预设范围内，缸套最上节点和最下节点不选做主节点；
S2.13：主轴承主节点选择主轴承有限元网格内表面的全部节点，且主轴承的主节点在周向等间距分布，在轴向设定若干层；
S2.14：左、右止推轴承各定义若干个主节点，在周向确定位置间隔预设距离且对称分布；
S2.15：悬置主节点属于零件之间的耦合点，通过建立RBE2单元，施加x、y、z三个方向的结构刚度和阻尼；
S2.16：选取变速箱输入轴的轴承中心点作为变速箱的主节点，通过建立RBE2单元，设定变速箱输入轴的轴承中心点为变速箱的主节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1：建立发动机本体有限元模型，包括：缸盖、缸套、上缸体、下缸体、主轴承、主轴承盖、螺栓及前端链壳，其中，主轴承采用一阶六面体网格，厚度方向均匀布置若干层网格，周向网格节点均匀分布，轴向网格节点不均匀分布且关于主轴承宽度方向呈中心对称，从主轴承中心到两侧，网格长度依次递减，除主轴承外，其他零部件均采用二阶四面体网格；
S1.2：考虑到变速箱对飞轮的支撑刚度可以改善飞轮的动态特性，削弱飞轮的陀螺效应，减小曲轴各个曲拐的内弯矩，建立变速箱壳体及输入轴的有限元模型，结合发动机本体有限元模型，建立动力总成的有限元模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2.2包括：
利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法，用零部件的主节点来定义结构体的几何信息、自由度信息、质量矩阵和刚度矩阵，完成对结构体模态参数的压缩简化，生成动力总成的缩减子结构文件，完成动力总成有限元模型的模态缩减。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4包括：
S4.1：基于动力总成的多体动力学模型，设定主轴承的结构参数、材料属性参数，设定供油边界条件，设定机油的物性参数，完成主轴承的模块化建模；
S4.2：通过线性差分法，计算得到主轴承参数化的设计型线；
S4.3：建立主轴承的弹性液体动力润滑分析模型，分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S4.2包括：
S4.21：在主轴承上轴瓦选取若干测点，得到各测点位置的轴瓦壁厚减薄量，并根据测点位置的轴瓦壁厚减薄量，计算得到主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄量；
S4.22：根据主轴承上轴瓦的对称性，拟合得到主轴承上轴瓦的各测点周向截面的角度-相对壁厚的变化曲线；根据曲线线性差分法计算得到其他角度所对应的相对壁厚；根据主轴承上、下轴瓦的对称性，得到主轴承参数化的设计型线。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S4.21包括：
由
得到主轴承上轴瓦第一测点与中心点的连线与水平轴的夹角
由L1＝L得到第一测点位置的轴瓦壁厚减薄量L1，由
得到主轴承上轴瓦第四测点与中心点的连线与水平轴的夹角
由
得到第四测点位置的轴瓦壁厚减薄量L2，按照线性变化关系，主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄分量L3*为：
按照主轴承的设计要求，主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄分量L3*′为：L3*′＝L′，则主轴承上轴瓦在
位置处的轴瓦壁厚减薄量为：
其中，r为主轴承装配后的半径，h1为第一测点到主轴承上轴瓦端面的高度，第一测点和第二测点对称分布，且第一测点和第二测点比第三测点的壁厚小L微米，第三测点坐标为(r,0)，h2为第四测点到主轴承上轴瓦端面的高度，考虑到主轴承上轴瓦的装配变形，为保证应力的均匀性，按照主轴承的设计要求，主轴承上轴瓦在
处沿轴瓦两端全宽范围内，轴瓦壁厚均匀减薄L′微米。
7.一种基于设计型线的发动机主轴承弹性液体动力润滑的仿真分析装置，其特征在于，包括：
动力总成有限元模型建立模块，用于考虑变速箱对飞轮的支撑刚度，建立动力总成的有限元模型；
模态缩减模块，用于根据节点特性，分类自定义主节点，利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减，其中，将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，机构动力学特性包括运动、变形和受力；
动力总成的多体动力学模型建立模块，用于完成柔性体单元的模块化建模，完成连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件的定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；
设计型线获取模块，用于通过线性差分法计算得到主轴承参数化的设计型线；
主轴承弹性液体动力润滑分析模型建立模块，用于建立主轴承弹性液体动力润滑分析模型；
分析模块，用于分析在动力总成特征工况下主轴承的润滑特性，完成主轴承的可靠耐久性能评价和优化；
所述模态缩减模块，具体用于执行以下操作：将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，对主轴承的弹性液体动力润滑分析来说，需要自定义主节点的零部件包括：燃烧室、缸套、主轴承、止推轴承、悬置及变速箱；利用LANCZOS计算方法，联合Abaqus求解，借助子结构法完成对结构体的模态缩减；
其中，将载荷施加点、零件之间的耦合点及反映机构动力学特性的这三类节点定义为主节点，对主轴承的弹性液体动力润滑分析来说，需要自定义主节点的零部件包括：燃烧室、缸套、主轴承、止推轴承、悬置及变速箱，包括：燃烧室主节点通过建立RBE2单元，保证每缸的若干个RBE2单元中心节点完全对称，且在气缸中心的一个圆上；缸套主节点建立在主推力面TS侧和次推力面ATS侧的气缸中心线平面上，需在缸径位置上，主节点之间的距离差在预设范围内，缸套最上节点和最下节点不选做主节点；主轴承主节点选择主轴承有限元网格内表面的全部节点，且主轴承的主节点在周向等间距分布，在轴向设定若干层；左、右止推轴承各定义若干个主节点，在周向确定位置间隔预设距离且对称分布；悬置主节点属于零件之间的耦合点，通过建立RBE2单元，施加x、y、z三个方向的结构刚度和阻尼；选取变速箱输入轴的轴承中心点作为变速箱的主节点，通过建立RBE2单元，设定变速箱输入轴的轴承中心点为变速箱的主节点。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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