CN115168982A - 一种湿式离合器三维热性能仿真方法 - Google Patents

一种湿式离合器三维热性能仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种湿式离合器三维热性能仿真方法，该方法通过应用结构力学仿真软件计算湿式离合器在真实受力状态下摩擦片和对偶钢片的摩擦产热，应用CFD仿真软件计算湿式离合器摩擦片和对偶钢片表面与流体间的对流换热系数，结构力学仿真软件与CFD仿真软件相互配合，基于相同的求解时间步长，摩擦产热与温度、温度与对流换热系数仿真计算结果实时交互，实现湿式离合器热‑流‑固耦合三维热性能仿真；本方法考虑全面，与湿式离合器真实工作状态完全一致，仿真精度非常高，能够在湿式离合器设计早期进行湿式离合器三维热性能分析评价，支持湿式离合器设计优化迭代，能够有效降低湿式离合器热失效风险，有益于缩短产品热失效问题解决周期，减少开发成本。

Description

一种湿式离合器三维热性能仿真方法
技术领域
本发明涉及汽车仿真技术领域，具体涉及一种湿式离合器三维热性能仿真方法。
背景技术
湿式离合器是自动变速器实现传扭及挡位切换的核心部件，在四驱分动器、限滑差速器等产品中也有广泛应用。随着混动、电动化进程的不断推进，其应用已扩展至混合动力专用变速器、电驱多挡减速器中，用以实现多动力源耦合与无动力中断换挡。
在湿式离合器热仿真技术出现前，试验是湿式离合器热性能评价的唯一手段，发现热失效问题时已处于开发的中后期，且此方法无法准确定位热失效问题点，往往需要多轮优化验证才能解决热失效问题，容易造成开发拖期及资源浪费，更重要的是此方法并非正向设计手段，后续开发中依然难以避免热失效问题复现。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中发现热失效问题时已处于开发的中后期，且无法准确定位热失效问题点，需要多轮优化验证才能解决热失效问题的缺陷，从而提供一种湿式离合器三维热性能仿真方法。
一种湿式离合器三维热性能仿真方法，所述方法通过应用结构力学仿真软件计算湿式离合器在真实受力状态下摩擦片和对偶钢片的摩擦产热，应用CFD仿真软件计算湿式离合器摩擦片和对偶钢片表面与流体间的对流换热系数，结构力学仿真软件与CFD仿真软件相互配合，基于相同的求解时间步长，摩擦产热与温度、温度与对流换热系数仿真计算结果实时交互，实现湿式离合器热-流-固耦合三维热性能仿真；
所述湿式离合器三维热性能仿真方法包括湿式离合器摩擦产热仿真计算、湿式离合器对流换热系数仿真计算和湿式离合器三维热性能仿真计算；
所述湿式离合器摩擦产热仿真计算包括以下步骤：
步骤一：湿式离合器内部零件网格划分；
步骤二：根据网格划分进行湿式离合器内部零件材料属性定义、湿式离合器内部零件接触属性设置和湿式离合器载荷添加；
步骤三：根据所述步骤二中的材料属性定义、接触属性设置和载荷添加进行湿式离合器摩擦产热仿真求解设置，并输出产热分布；
所述湿式离合器对流换热系数仿真计算包括以下步骤：
步骤一：湿式离合器几何模型前处理；
步骤二：根据处理结果进行湿式离合器流体网格划分；
步骤三：根据网格划分进行湿式离合器物理模型设置和湿式离合器流体仿真边界条件设置；
步骤四：根据所述步骤三中设置的物理模型和仿真边界条件进行湿式离合器流场仿真求解设置，并输出传热分布；
所述湿式离合器三维温度场仿真计算过程为：将湿式离合器摩擦产热仿真计算和湿式离合器对流换热系数仿真计算的每一迭代步输出的产热分布与传热分布结果作为湿式离合器三维温度场仿真计算的边界条件输入，仿真计算得到的湿式离合器三维温度场结果反馈给湿式离合器摩擦产热仿真计算和湿式离合器对流换热系数仿真计算作为下一步仿真计算的初始边界条件，以上过程每一迭代步循环一次，直至湿式离合器温度达到稳态平衡或达到总仿真时间结束。
进一步，所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤一的具体内容为：针对湿式离合器内部实体零件进行有限元网格划分，相互接触区域划分两层以上的体网格，若一个零件由不同材料构成，则将不同材料的部分拆分开并分别划分有限元网格。
进一步，所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤二的具体内容为：将材料属性分配给对应的零件，所述材料属性包括密度、热膨胀系数、热导率、比热、杨氏模量和泊松比；将摩擦片和对偶钢片的接触面设置为摩擦面并设定摩擦系数，根据计算情况调整刚度因子；根据仿真工况设置湿式离合器的固定支撑、法向压力和各零件的旋转速度，各零件的旋转速度应与湿式离合器流场仿真边界条件设置中的参数保持一致。
进一步，所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤三的具体内容为：设置摩擦产热仿真计算的总仿真时间、时间步长和迭代次数，时间步长和迭代次数与湿式离合器流场仿真求解设置中的参数保持一致。
进一步，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤一的具体内容为：提取湿式离合器内部流体域，将流体域切分为静止域和旋转域。
进一步，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤二的具体内容为：对湿式离合器流体域进行有限元网格划分，流体网格最窄处至少划分3-6层体网格。
进一步，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤三的边界条件包括为：流体的密度、粘度、热导率和比热、旋转域与静止域之间的数据传递、湿式离合器入口质量流量、出口压力和旋转域的旋转速度、旋转域各旋转表面的旋转速度，流场模型为湍流模型。
进一步，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤四的具体内容为：使用二阶以上的流场仿真求解方法进行仿真求解，时间步长和迭代次数与湿式离合器摩擦产热仿真求解设置中的参数保持一致。
进一步，若保留摩擦产热与温度的耦合关系，取消温度与对流换热系数的耦合关系，则将对流换热系数作为传热边界输入到摩擦产热与温度的热-固耦合仿真中，实现湿式离合器三维热性能仿真；
若取消摩擦产热与温度的耦合关系，保留温度与对流换热系数的耦合关系，则将摩擦产热作为产热边界输入到温度与对流换热系数的热-流耦合仿真中，实现湿式离合器三维热性能仿真。
进一步，若取消摩擦产热与温度的耦合关系，取消温度与对流换热系数的耦合关系，将摩擦产热与对流换热系数作为产热与传热边界输入到湿式离合器温度场仿真中，求解出湿式离合器稳态温度场分布结果，将此结果作为温度边界条件输入到摩擦产热与对流换热系数仿真计算中，将仿真计算得到的摩擦产热与对流换热系数再输入到湿式离合器温度场仿真中，求解出湿式离合器稳态温度场分布结果，如此反复迭代2-3次，实现湿式离合器三维热性能仿真。
本发明提供的方法，考虑全面，与湿式离合器真实工作状态完全一致，仿真精度非常高，能够在湿式离合器设计早期进行湿式离合器三维热性能分析评价，支持湿式离合器设计优化迭代，能够有效降低湿式离合器热失效风险，有益于缩短产品热失效问题解决周期，减少开发成本。
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为湿式离合器三维热性能仿真方法流程图；
具体实施方式
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。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“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。
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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参阅图1，一种湿式离合器三维热性能仿真方法，所述方法通过应用结构力学仿真软件计算湿式离合器在真实受力状态下摩擦片和对偶钢片的摩擦产热，应用CFD仿真软件计算湿式离合器摩擦片和对偶钢片表面与流体间的对流换热系数，结构力学仿真软件与CFD仿真软件相互配合，基于相同的求解时间步长，摩擦产热与温度、温度与对流换热系数仿真计算结果实时交互，实现湿式离合器热-流-固耦合三维热性能仿真；
所述湿式离合器三维热性能仿真方法包括湿式离合器摩擦产热仿真计算、湿式离合器对流换热系数仿真计算和湿式离合器三维热性能仿真计算；
所述湿式离合器摩擦产热仿真计算包括以下步骤：
步骤一：湿式离合器内部零件网格划分；
步骤二：根据网格划分进行湿式离合器内部零件材料属性定义、湿式离合器内部零件接触属性设置和湿式离合器载荷添加；
步骤三：根据所述步骤二中的材料属性定义、接触属性设置和载荷添加进行湿式离合器摩擦产热仿真求解设置，并输出产热分布；
所述湿式离合器对流换热系数仿真计算包括以下步骤：
步骤一：湿式离合器几何模型前处理；
步骤二：根据处理结果进行湿式离合器流体网格划分；
步骤三：根据网格划分进行湿式离合器物理模型设置和湿式离合器流体仿真边界条件设置；
步骤四：根据所述步骤三中设置的物理模型和仿真边界条件进行湿式离合器流场仿真求解设置，并输出传热分布；
所述湿式离合器三维温度场仿真计算过程为：将湿式离合器摩擦产热仿真计算和湿式离合器对流换热系数仿真计算的每一迭代步输出的产热分布与传热分布结果作为湿式离合器三维温度场仿真计算的边界条件输入，仿真计算得到的湿式离合器三维温度场结果反馈给湿式离合器摩擦产热仿真计算和湿式离合器对流换热系数仿真计算作为下一步仿真计算的初始边界条件，以上过程每一迭代步循环一次，直至湿式离合器温度达到稳态平衡或达到总仿真时间结束。
所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤一的具体内容为：针对湿式离合器内部实体零件进行有限元网格划分，相互接触区域至少划分两层以上的体网格，若一个零件由不同材料构成，则将不同材料的部分拆分开并分别划分有限元网格。
所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤二的具体内容为：将材料属性分配给对应的零件，所述材料属性包括密度、热膨胀系数、热导率、比热、杨氏模量和泊松比；将摩擦片和对偶钢片的接触面设置为摩擦面并设定摩擦系数，根据计算情况调整刚度因子；根据仿真工况设置湿式离合器的固定支撑、法向压力和各零件的旋转速度，各零件的旋转速度应与湿式离合器流场仿真边界条件设置中的参数保持一致。
进一步，所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤三的具体内容为：设置摩擦产热仿真计算的总仿真时间、时间步长和迭代次数，时间步长和迭代次数与湿式离合器流场仿真求解设置中的参数保持一致。
进一步，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤一的具体内容为：提取湿式离合器内部流体域，将流体域切分为静止域和旋转域。
进一步，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤二的具体内容为：对湿式离合器流体域进行有限元网格划分，流体网格最窄处至少划分3-6层体网格，确保流体仿真精度。
进一步，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤三的边界条件包括为：流体的密度、粘度、热导率和比热，旋转域与静止域之间的数据传递、湿式离合器入口质量流量、出口压力和旋转域的旋转速度、旋转域各旋转表面的旋转速度，流场模型为湍流模型。
进一步，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤四的具体内容为：使用二阶以上的流场仿真求解方法进行仿真求解，以保证流场仿真精度，定义总仿真时间、时间步长和迭代次数，时间步长和迭代次数与湿式离合器摩擦产热仿真求解设置中的参数保持一致。
进一步，若保留摩擦产热与温度的耦合关系，取消温度与对流换热系数的耦合关系，则将对流换热系数作为传热边界输入到摩擦产热与温度的热-固耦合仿真中，也可实现湿式离合器三维热性能仿真，只是对流换热系数与真实状态略有偏差，仿真精度略有降低；
若取消摩擦产热与温度的耦合关系，保留温度与对流换热系数的耦合关系，则将摩擦产热作为产热边界输入到温度与对流换热系数的热-流耦合仿真中，也可实现湿式离合器三维热性能仿真，只是摩擦产热与真实状态略有偏差，仿真精度略有降低。
进一步，若取消摩擦产热与温度的耦合关系，取消温度与对流换热系数的耦合关系，将摩擦产热与对流换热系数作为产热与传热边界输入到湿式离合器温度场仿真中，求解出湿式离合器稳态温度场分布结果，将此结果作为温度边界条件输入到摩擦产热与对流换热系数仿真计算中，将仿真计算得到的摩擦产热与对流换热系数再输入到湿式离合器温度场仿真中，求解出湿式离合器稳态温度场分布结果，如此反复迭代2-3次，也可实现湿式离合器三维热性能仿真，只是摩擦产热与对流换热系数与真实状态略有偏差，仿真精度略有降低，迭代次数越多越接近湿式离合器真实工作状态，仿真精度越高。
此方法考虑全面，与湿式离合器真实工作状态完全一致(摩擦产热的分布与摩擦片钢片受力变形结果相关，而摩擦片与钢片的温度对受力变形结果有影响；对流换热系数的计算与摩擦片和钢片表面温度相关，因此，将摩擦产热与温度、温度与对流换热系数仿真计算结果实时交互进行湿式离合器三维热仿真，是与湿式离合器真实的产热与传热过程完全一致的)，只需要输入工况条件及固体和流体的材料属性参数即可完成湿式离合器三维热性能的高精度仿真计算，仿真精度非常高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种湿式离合器三维热性能仿真方法，其特征在于，所述方法通过应用结构力学仿真软件计算湿式离合器在真实受力状态下摩擦片和对偶钢片的摩擦产热，应用CFD仿真软件计算湿式离合器摩擦片和对偶钢片表面与流体间的对流换热系数，结构力学仿真软件与CFD仿真软件相互配合，基于相同的求解时间步长，摩擦产热与温度、温度与对流换热系数仿真计算结果实时交互，实现湿式离合器热-流-固耦合三维热性能仿真；
所述湿式离合器三维热性能仿真方法包括湿式离合器摩擦产热仿真计算、湿式离合器对流换热系数仿真计算和湿式离合器三维热性能仿真计算；
所述湿式离合器摩擦产热仿真计算包括以下步骤：
步骤一：湿式离合器内部零件网格划分；
步骤二：根据网格划分进行湿式离合器内部零件材料属性定义、湿式离合器内部零件接触属性设置和湿式离合器载荷添加；
步骤三：根据所述步骤二中的材料属性定义、接触属性设置和载荷添加进行湿式离合器摩擦产热仿真求解设置，并输出产热分布；
所述湿式离合器对流换热系数仿真计算包括以下步骤：
步骤一：湿式离合器几何模型前处理；
步骤二：根据处理结果进行湿式离合器流体网格划分；
步骤三：根据网格划分进行湿式离合器物理模型设置和湿式离合器流体仿真边界条件设置；
步骤四：根据所述步骤三中设置的物理模型和仿真边界条件进行湿式离合器流场仿真求解设置，并输出传热分布；
所述湿式离合器三维温度场仿真计算过程为：将湿式离合器摩擦产热仿真计算和湿式离合器对流换热系数仿真计算的每一迭代步输出的产热分布与传热分布结果作为湿式离合器三维温度场仿真计算的边界条件输入，仿真计算得到的湿式离合器三维温度场结果反馈给湿式离合器摩擦产热仿真计算和湿式离合器对流换热系数仿真计算作为下一步仿真计算的初始边界条件，以上过程每一迭代步循环一次，直至湿式离合器温度达到稳态平衡或达到总仿真时间结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤一的具体内容为：针对湿式离合器内部实体零件进行有限元网格划分，相互接触区域划分两层以上的体网格，若一个零件由不同材料构成，则将不同材料的部分拆分开并分别划分有限元网格。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤二的具体内容为：将材料属性分配给对应的零件，所述材料属性包括密度、热膨胀系数、热导率、比热、杨氏模量和泊松比；将摩擦片和对偶钢片的接触面设置为摩擦面并设定摩擦系数，根据计算情况调整刚度因子；根据仿真工况设置湿式离合器的固定支撑、法向压力和各零件的旋转速度，各零件的旋转速度应与湿式离合器流场仿真边界条件设置中的参数保持一致。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿式离合器摩擦产热仿真计算的步骤三的具体内容为：设置摩擦产热仿真计算的总仿真时间、时间步长和迭代次数，时间步长和迭代次数与湿式离合器流场仿真求解设置中的参数保持一致。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤一的具体内容为：提取湿式离合器内部流体域，将流体域切分为静止域和旋转域。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤二的具体内容为：对湿式离合器流体域进行有限元网格划分，流体网格最窄处至少划分3-6层体网格。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤三的边界条件包括为：流体的密度、粘度、热导率和比热，旋转域与静止域之间的数据传递、湿式离合器入口质量流量、出口压力和旋转域的旋转速度、旋转域各旋转表面的旋转速度，流场模型为湍流模型。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿式离合器对流换热系数仿真计算步骤四的具体内容为：使用二阶以上的流场仿真求解方法进行仿真求解，时间步长和迭代次数与湿式离合器摩擦产热仿真求解设置中的参数保持一致。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,若保留摩擦产热与温度的耦合关系，取消温度与对流换热系数的耦合关系，则将对流换热系数作为传热边界输入到摩擦产热与温度的热-固耦合仿真中，实现湿式离合器三维热性能仿真；
若取消摩擦产热与温度的耦合关系，保留温度与对流换热系数的耦合关系，则将摩擦产热作为产热边界输入到温度与对流换热系数的热-流耦合仿真中，实现湿式离合器三维热性能仿真。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若取消摩擦产热与温度的耦合关系，取消温度与对流换热系数的耦合关系，将摩擦产热与对流换热系数作为产热与传热边界输入到湿式离合器温度场仿真中，求解出湿式离合器稳态温度场分布结果，将此结果作为温度边界条件输入到摩擦产热与对流换热系数仿真计算中，将仿真计算得到的摩擦产热与对流换热系数再输入到湿式离合器温度场仿真中，求解出湿式离合器稳态温度场分布结果，如此反复迭代2-3次，实现湿式离合器三维热性能仿真。
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