技术领域
[0001] 本
发明涉及一种湿式摩擦片在设计过程中的动态特性分析方法，更具体地说，本发明涉及一种摩擦片形状对湿式
离合器特性影响的基于计算
流体力学的湿式摩擦片特性分析方法。
背景技术
[0002] 湿式
双离合器自动
变速器中的离合器模
块由于在一个封闭的空间中工作，在此过程中由于摩擦以及其它
热能的作用使得系统的
温度在不断的升高，因此保证系统在适宜的温度范围工作是衡量该系统性能好坏的一个因素。再者由于频繁的结合分离会使得摩擦片磨损产生的碎屑也会影响系统的性能，因此液力
传动油不仅要把产生的热量带走，而且还要把系统产生的碎屑带到系统的过滤装置中。这样液力传动油能否在摩擦片中流畅地循环就是解决的重点，摩擦片的形状
对流体的流动起着关键性的作用。
[0003] 摩擦片性能的研究一直以来是一个备受研究者关注的课题。目前对摩擦片特性的研究都是在实际经验的
基础上，结合一定的理论基础设计试制出所需要的摩擦片，再通过专用的试验台测试相关的数据，经计算对比看能否满足产品的实际需求。
[0004] 但是如果产品不满足想要的性能，就要改动其中的相关参数并且重新试制做试验。因此，这种方法需要大量的人力、财力以及物力。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服了
现有技术存在的问题，提供了一种基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法包括如下步骤：
[0007] 1.在计算机上画出湿式摩擦片的三维结构图：
[0008] 1)利用CAD绘图
软件在计算机上绘制完整的湿式摩擦片的平面图。
[0009] 2)根据完整的湿式摩擦片的平面图，在计算机上利用UG三维
绘图软件画出完整的湿式摩擦片的三维部件结构图，并且对三维部件结构图进行简化和假设。
[0010] 2.在计算机上对三维部件结构图进行网格划分：
[0011] 1)在计算机上利用通用格式的IGES文件，将利用UG三维绘图软件建立的湿式摩擦片的三维部件结构图导入计算流体力学软件FLUENT的前处理软件GAMBIT中。
[0012] 2)利用软件GAMBIT建立湿式摩擦片的油道模型。
[0013] 3)利用软件GAMBIT在计算机上对湿式摩擦片油道模型进行网格划分，生成符合计算要求的四面体网格单元，形成一个包含四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型。
[0014] 3.利用计算流体力学软件FLUENT在计算机上进行流场特性分析：
[0015] 1)对生成四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型在计算流体力学软件FLUENT中进行定义、假设及参数设置：
[0016] a.导入含有四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型
[0017] 将利用软件GAMBIT生成的包含四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型导入到计算流体力学软件FLUENT中。
[0018] b.检查含有四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型是否存在问题[0019] 将含有四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型导入计算流体力学软件FLUENT后必须对湿式摩擦片的
网格模型进行检查，以便确定是否可直接采用CFD求解。
[0020] c.选择求解器及运行环境
[0021] 湿式摩擦片内流场分析采用的求解器及运行环境设置均是计算流体力学软件FLUENT的默认设置即分离式求解器。
[0022] d.确定计算模型
[0023] 本发明的分析选择湿式摩擦片内流场为
湍流模型，湍流模型选用标准的k-ε模型，k是湍流脉动
动能，单位.焦
耳，ε是湍流脉动动能的耗散率；
[0024] e.定义材料
[0025] 湿式摩擦片内流场使用的液力传动油是变速箱传动油。
[0026] f.设置边界条件
[0027] 进口边界选取的是速度入口，出口边界定义的是压力出口，其他的边界设置为壁面边界。
[0028] g.设置求解控制参数
[0029] 设置离散格式与欠松弛因子均按照计算流体力学软件FLUENT中默认设置。
[0030] h.设置求解过程的监视参数
[0031] 求解器计算过程中，通过检查变量的残差、统计值、力、面积分和体积分参数动态监视计算的收敛性和当前计算结果。
[0032] i.初始化流场的解
[0033] 在开始对湿式摩擦片内流场进行求解之前，用户必须向计算流体力学软件FLUENT提供对湿式摩擦片内流场的解的初始猜测值。
[0035] 本发明的湿式摩擦片内流场分析选择的稳态的计算要求，迭代步数为1000。
[0036] 2)经过从a至j的步骤，在计算机上运行FLUENT软件得到了湿式摩擦片流体的整体
流线图、湿式摩擦片仿真整体静压图和湿式摩擦片仿真整体动压图。
[0037] 3)对仿真结果进行分析处理：
[0038] a.湿式摩擦片流体的流线图是将计算域内无
质量粒子流动情况
可视化，这些粒子在
指定的表面上释放，将粒子在
油槽入口处释放，从而完成了整个流场的流动情况。
[0039] b.湿式摩擦片仿真整体静压图与湿式摩擦片仿真整体动压图均视为等值线图，等值线图是在所指定的表面上通过若干个点的连线，在这条线上变量如压力为定值。
[0040] 技术方案中所述的对三维部件结构图进行简化和假设是指：
[0041] 1)视湿式摩擦片上的内部流道为理想流道，不计湿式摩擦片上的内部流道对流道内特性的影响。
[0042] 2)根据SAE标准对液力传动油的要求，其
密度和
粘度在工作过程中变化很小，确定为常数，分别取液力传动油的密度为ρ＝880kg/m3和液力传动油的粘度为μ＝0.012936Ns/m2，即湿式摩擦片中的液力传动油为不可压缩粘性流体。
[0043] 3)由于液力传动油实际处于不断冷却循环的油路中，因此液力传动油的温度变化不大，忽略温度对液力传动油的影响，只研究流场的速度和压力分布。
[0044] 技术方案中所述的利用软件GAMBIT建立湿式摩擦片的油道模型是指：
[0045] 1)在不影响计算结果的情况下，为节省计算资源和提高计算效率，在GAMBIT中需要将一些短边删去，不参与分析的部分也要删去，还需要将未合并而参与分析的部分合并成一个整体。
[0046] 2)利用湿式摩擦片的内外径尺寸及湿式摩擦片的厚度，创建一个包含湿式摩擦片在内的圆环体，通过布尔运算，将湿式摩擦片的实体从圆环体中抠出，建立湿式摩擦片油道模型。
[0047] 与现有技术相比本发明的有益效果是：
[0048] 1.本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法是
发明人利用UG三维制图软件，根据设计图纸所制定的尺寸，创建了可用于计算流体力学软件(CFD)分析的湿式摩擦片三维模型，利用CFD的前处理软件进行相应的网格划分之后进行仿真分析。在产品试制以及试验之前可以在较短的时间内对产品进行数值模拟和性能预测，而且将离合器中不可见的流场变化实现可视化，并通过更改相关参数来达到最佳设计效果，为整个产品的开发节约时间，提高效率。本方法对传统的设计方法起到了一定的促进作用。
附图说明
[0049] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0050] 图1是本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法的流程
框图；
[0051] 图2是本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法中的一个
实施例中摩擦片的二维设计图；
[0052] 图3是本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法中的一个实施例中摩擦片的三维结构图；
[0053] 图4是本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法中的一个实施例中摩擦片的局部放大的三维结构图；
[0054] 图5是本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法中的一个实施例中摩擦片的油道模型示意图；
[0055] 图6是本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法中的一个实施例中将摩擦片划分网格后的湿式摩擦片油道模型局部放大示意图；
[0056] 图7-a是采用本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法仿真运算结束后的湿式摩擦片流体的整体流线图。
[0057] 图7-b是采用本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法仿真运算结束后的湿式摩擦片流体的局部放大流线图；
[0058] 图8-a是采用本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法湿式摩擦片仿真整体静压示意图；
[0059] 图8-b是采用本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法湿式摩擦片仿真局部放大静压示意图；
[0060] 图9-a是采用本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法湿式摩擦片仿真整体动压示意图；
[0061] 图9-b是采用本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法湿式摩擦片仿真局部放大动压示意图；
[0062] 图中：A1.突出的
摩擦材料，A2.油槽，A3.摩擦片内齿，A4.油槽入口，A5.油槽出口，B1.油道，B2.摩擦材料，B3.摩擦片油道模型上设置的油道，B4.内齿。
具体实施方式
[0063] 下面结合附图对本发明作详细的描述：
[0064] 参阅图1，本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法包括如下步骤：
[0065] 1.在计算机上画出湿式摩擦片的三维结构图
[0066] 1)参阅图2，按照设计需求利用CAD绘图软件在计算机上绘制完整的湿式摩擦片的二维(平面)部件图；
[0067] 2)参阅图3，根据附图2中所示的完整的湿式摩擦片的二维(平面)部件图，在计算机上利用UG三维绘图软件画出完整的湿式摩擦片的如图中所示的三维部件结构图；参阅图4，为了便于分析截取如图中所示的湿式摩擦片的部分三维部件结构图，并且对三维部件结构图进行简化和假设：
[0068] (1)视湿式摩擦片上的内部流道为理想流道，不计湿式摩擦片上的内部流道对流道内特性的影响；
[0069] (2)根据SAE标准(SAE标准是美国机动车工程师学会的缩写、Society ofAutomotive Engineers)对液力传动油的要求，其密度和粘度在工作过程中变化很小，可假设为常数，分别取液力传动油的密度为ρ＝880kg/m3和液力传动油的粘度为μ＝0.012936 Ns/m2，这意味着湿式摩擦片中的液力传动油为典型的不可压缩粘性流体；
[0070] (3)由于液力传动油实际处于不断冷却循环的油路中，因此液力传动油的温度变化不大，可以忽略温度对液力传动油的影响，仅研究流场的速度和压力分布。
[0071] 2.在计算机上对三维部件结构图进行相应的网格划分
[0072] 1)在计算机上利用通用格式的IGES文件，将步骤1中利用UG三维绘图软件建立的湿式摩擦片的三维部件结构图导入计算流体力学软件FLUENT的前处理软件GAMBIT中；
[0073] 2)参阅图5，结合实际情况利用软件GAMBIT中的相应命令最终建立湿式摩擦片油道模型：
[0074] GAMBIT的主要功能包括构造
几何模型、划分网格和指定边界三个方面，其中划分网格是其最主要的功能，它最终生成包含有边界信息的网格文件。
[0075] (1)在不影响计算结果的情况下，为节省计算资源和提高计算效率，在GAMBIT中需要将一些短边删去，不参与分析的部分也要删去，还需要将未合并而参与分析的部分合并成一个整体。
[0076] (2)结合实际情况，利用湿式摩擦片的内外径尺寸及湿式摩擦片的厚度，创建一个包含湿式摩擦片在内的圆环体，通过布尔运算，将湿式摩擦片的实体从圆环体中抠出，最终建立湿式摩擦片油道模型。
[0077] 3)参阅图6，湿式摩擦片油道模型建立完成后，利用软件GAMBIT在计算机上对湿式摩擦片油道模型进行网格划分，生成符合计算要求的四面体网格单元，最终形成一个包含四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型；
[0078] 本模型网格采用的是四面体网格，湿式摩擦片网格单元数为795233，网格尺寸为0.3mm。如图中所示。
[0079] 3.利用计算流体力学软件FLUENT在计算机上进行流场特性分析，具体步骤如下：
[0080] 1)对生成四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型在FLUENT软件中进行定义、假设及参数设置，具体步骤如下：
[0081] (1)导入含有四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型
[0082] 将利用软件GAMBIT生成的包含有四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型导入到计算流体力学软件FLUENT中；
[0083] (2)检查含有四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型是否存在问题[0084] 将含有四面体网格单元的湿式摩擦片油道模型导入到计算流体力学软件FLUENT后必须对该模型进行检查，以便确定是否可直接采用CFD求解；
[0085] (3)选择求解器及运行环境
[0086] FLUENT中的求解器主要有分离式求解器和耦合式求解器。分离式求解器主要用于不可压流动与微可压流动，而耦合式求解器主要用于高速可压缩流动。现在，两种求解器都适用于从不可压到高速可压的很大范围的流动。本发明中的湿式摩擦片内流场分析采用的求解器及运行环境设置均是FLUENT的默认设置，即分离式求解器。
[0087] (4)确定计算模型
[0088] 当
雷诺数大于临界值时，会出现一系列的复杂变化，最终导致流动特征的本质变化。本发明的分析选择湿式摩擦片内流场为湍流模型，湍流模型选用标准的k-ε模型，k是湍流脉动动能(焦耳)，ε是湍流脉动动能的耗散率(％)。
[0089] (5)定义材料
[0090] 湿式摩擦片内流场使用的液力传动油是变速箱传动油，变速箱传动油的参数如表1所示。
[0091] 表1变速箱传动油的参数
[0092]美孚特级黑霸王15W-40
SAE粘度等级 15W-40
粘度，ASTM D 445
cSt @ 40℃ 107
cSt @ 100℃ 14.7
粘度指数，ASTM D 2270 135
硫化灰分，wt％，ASTM D 874 1.1
总碱值，mg KOH/g，ASTM D 2896 10.0
倾点，℃，ASTM D 97 -27
闪点，℃，ASTM D 92 220
密度@15℃，kg/1，ASTM D 4052 0.88
[0093]
[0094] (6)设置边界条件
[0095] 油槽入口A4边界选取的是速度入口(用于定义流动进口边界处的速度和流动的其他标量型变量)，油槽出口A5边界定义的是压力出口(用于定义流动出口边界处总压和其他标量型变量)，其他的边界设置为壁面边界。
[0096] (7)设置求解控制参数
[0097] 设置离散格式与欠松弛因子均按照FLUENT中默认设置。
[0098] (8)设置求解过程的监视参数
[0099] 在求解器计算(迭代)过程中，通过检查变量的残差、统计值、力、面积分和体积分等，用户可以动态的监视计算的收敛性和当前计算结果。在每一步迭代之后，求解器可以计算并保存升力，阻力或力矩系数及各个变量的残差来创建收敛的历史记录。也可以打印和绘制收敛的历史记录，也可以将它们保存到外部文件。本发明设置的分析
精度为0.001即相应变量达到该值后则认为计算已经收敛。
[0100] (9)初始化流场的解
[0101] 在开始对湿式摩擦片内流场进行求解之前，用户必须向计算流体力学软件FLUENT提供对湿式摩擦片内流场的解的初始猜测值。该初始猜测值对解的收敛性有重要的影响，与最终的实际解越接近越好。有两种方法来初始化流场的解：
[0102] a.用相同的流场变量值来初始化整个湿式摩擦片内流场中所有边界；
[0103] b.在
选定的单元区域里给选择的流场变量
覆盖一个值或函数。本发明分析选择的是第一种方法来初始化流场的解。
[0104] (10)湿式摩擦片内流场迭代计算
[0105] 本发明的湿式摩擦片内流场分析选择的稳态的计算要求，迭代步数为1000。
[0106] 2)参阅图7至图9，经过以上(1)至(10)的步骤，在计算机上运行FLUENT软件得到了如图7所示的湿式摩擦片流体的整体流线图，图8所示的湿式摩擦片仿真整体静压图和如图9所示的湿式摩擦片仿真整体动压图。
[0107] 3)对仿真结果进行分析处理：
[0108] 整个液力传动油是从湿式摩擦片中心到内齿，通过油槽入口A4流入，油槽出口A5流出来达到流体的流动，并起到润滑的作用。
[0109] 参阅图7，湿式摩擦片流体的流线图是将计算域内无质量粒子流动情况可视化。这些粒子在指定的表面上释放。结合此分析，我们将粒子在油槽入口A4处释放，从而完成了整个流场的流动情况。湿式摩擦片在相邻两内齿的空间处出现明显的漩涡，然后由于湿式摩擦片旋转，油液受到
离心力的作用，做漩
涡流动的油液继续被甩入油道，从油槽出口A5流出。
[0110] 参阅图8与图9，经过运算还可以得到如图8所示的湿式摩擦片仿真整体静压图和如图9所示的湿式摩擦片仿真整体动压图，湿式摩擦片仿真整体静压图与湿式摩擦片仿真整体动压图均视为等值线图。等值线图是在所指定的表面上通过若干个点的连线，在这条线上变量(如压力)为定值。等值线图是在物理区域上由同一变量的多条等值线组成的图形。图8-b是为了对仿真结果进行更加清晰地分析而将图8-a进行局部放大的静压图，从图中可以看出湿式摩擦片在相邻内齿间的油道右下
角有高压，是因为湿式摩擦片绕Z轴正方向旋转，而相邻内齿之间的油道是封闭腔，油液受到离心力作用，冲击右
侧壁面，从而形成右侧壁面的高压。
[0111] 动压与静压之间可以相互转换，两者之和等于全压，动压与速度相关。我们在图9上不难看出，湿式摩擦片油道内动压值相对相邻内齿间油槽内的动压值要高出很多，原因是油道内油液通过湿式摩擦片的旋转，以较高的速度从油槽出口处流出，而相邻内齿处的油槽油液受到周围壁面的阻挡，出现漩涡流，速度降低或者静止，因此动压偏低。结合静压图分析，此处的静压值最高。可以明显地看到液力传动油在整个湿式摩擦片
密闭空间中的流动情况，液力传动油能够顺畅地从油槽出口处流出，为进一步研究湿式摩擦片的特性提供了一种新的方法。
[0112] 本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法通过对湿式摩擦片内部油液流场内特性的仿真分析，得出湿式摩擦片的工作特性，不仅可以直观地观察到湿式摩擦片中的流场模拟特性，而且对产品的优化分析提供有力的根据。本发明所述的基于计算流体力学的湿式摩擦片特性分析方法能够在较短的时间内预测产品的性能，对新产品的开发起到积极的作用，可以节约大量的时间，人力，物力和财力，提高产品的开发效率。
