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SimericsMP+齒輪箱飛濺潤滑仿真新技術應用
時間:2022-03-29 18:00:50  作者:

1.  齒輪箱潤滑背景概述

齒輪箱是傳動系統中重要的組成部分,具有動力傳輸和改變傳動比的作用,能夠保證傳動系統在不同工況下平穩運行。齒輪箱的傳動效率和潤滑狀態是影響整機性能的技術指標,對于動力性、經濟性和環保性能具有重要影響。

潤滑油是保證齒輪箱良好運行狀態的必要條件,然而過多的潤滑油會導致傳動效率的下降,過少的潤滑油又會影響齒輪的壽命和性能,傳動系統運行過程中,工況、潤滑油的油量和粘溫特性對于齒輪箱性能至關重要。由于齒輪飛濺潤滑實驗操作比較復雜,流體仿真研究可以減少成本昂貴的實驗工作量。利用CFD仿真分析技術可以在研發初期獲得詳細的流場信息,進而以較低的成本、準確的仿真結果,幫助實現齒輪傳動潤滑系統的正向設計。


目前,對齒輪傳動內部流場數值仿真的研究主要集中在齒輪泵以及單級齒輪傳動等方面,對于齒輪傳動系統潤滑的研究較少。究其原因主要有幾個方面:

  • 齒輪潤滑仿真網格模型的建立,由于涉及到齒輪與齒輪之間微米級的嚙合,且齒輪嚙合的形式有多種,如斜齒、三齒、行星齒輪等,這對于高質量結構網格的建立提出了巨大挑戰;
  • 齒輪攪油過程動網格的描述,由于齒輪結構形式、嚙合方式的不同,因此動網格描述也不盡相同,且同時要考慮真實的嚙合間隙變化;
  • VOF多相流仿真應用,齒輪傳動系統的飛濺潤滑為隨時間變化的氣液兩相狀態,需要采用VOF多相流的仿真方法,對于這種運動問題且存在微小嚙合間隙的VOF多相流仿真在數值穩定性和收斂性方面往往需要大量的調試。
  • 齒輪表面油膜飛濺潤滑模擬,為了更好的模擬齒輪表面的油膜飛濺潤滑,對于齒輪表面的網格建模往往還需要考慮邊界層效應;
  • 計算速度的要求,變速箱齒輪往往由多對齒輪組成,且包含其他結構,真實幾何十分復雜,網格模型數量較大,對于仿真的計算速度提出了要求;


基于上述原因,目前對于復雜齒輪箱攪油的仿真分析多采用一些簡化方法,如位移法、縮小法、圓柱近似法等,主要目的是為了避免嚙合區的網格建模和動網格描述引起模型計算的不穩定和發散問題。對于真實考慮齒輪嚙合的變速箱齒輪攪油仿真參考文獻相對較少。今天小編給大家介紹一個專門針對齒輪箱攪油潤滑仿真的新技術應用,即基于SimericsMP+通用齒輪模板技術的齒輪箱潤滑仿真方案。


2.  SimericsMP+通用齒輪模板技術特征

SimericsMP+的前身為專業運動機械CFD仿真工具PumpLinx,大部分用戶對PumpLinx的齒輪攪油仿真應用主要是針對單對外嚙合齒輪攪油仿真方面。實際上SimericsMP+_V5.2已推出了新的通用齒輪模板技術,專門用于解決變速箱齒輪攪油的仿真問題。


2.1 通用齒輪模板網格原理介紹

SimericsMP+的通用齒輪模板為V5.2發布的新功能,其網格生成原理為:

  • 根據齒輪幾何生成各齒輪的獨立的結構化網格;
  • 根據齒輪嚙合間隙要求,自動變形成嚙合后的結構化網格,齒輪嚙合區域網格隨著齒輪運動變形;
  • 齒輪區域通過滑動界面(MGI)來連接。


基于上述網格劃分原理,使得對于不同結構、不同轉子數量的齒輪幾何均能生成高質量的結構網格,因此可適用于內外嚙合齒輪、斜齒輪、多齒輪、行星齒輪等特征。

圖 1 通用齒輪網格生成原理    

圖 2 嚙合過程


2.2 通用齒輪模板技術功能特點

基于上述齒輪網格劃分技術的特點,SimericsMP+的通用網格齒輪模板具有以下典型技術特征:

1. 不限齒輪數量


圖 3 不同轉子數量的齒輪對


2.支持斜齒和多對齒輪


圖 4 斜三齒輪動畫


3. 可以考慮粘性邊界層


圖 5 齒輪邊界層


4. 可以支持內嚙合、外嚙合,以及內外齒輪組合而成的行星齒輪


圖 6  新月形內嚙合齒

 

圖 7 行星齒輪(中心固定)


圖 8 行星齒輪(中心轉動)


3. SimericsMP+求解器功能特征

SimericsMP+求解器利用RANS有限體積方法求解包括可壓流/不可壓流、層流/湍流、內流/外流、穩態/瞬態等在內的各種流動問題,可求解從蠕動流至超聲速流問題,同樣也可求解非牛頓流體以及真實氣體等可變屬性的流體問題。


SimericsMP+還可求解熱傳導、對流、熱輻射、以及流/固材料之間的共軛傳熱問題,適用于強制對流或自由流自然對流的模擬。Simerics-MP+的面對面S2S熱輻射模型可以高效求解輻射傳熱,即使是帶有大量輻射面的模型也可快速處理。


對于齒輪箱攪油潤滑分析,在求解方面最為關注的即為針對這種運動網格,使用VOF多相流模型的魯棒性以及針對大規模計算模型求解速度問題。SimericsMP+均具備具有競爭力的解決方案。


SimericsMP+ VOF兩相流數值模型在許多案例中得到成功應用,如齒輪箱油液潤滑,油泵自吸,液環泵流場仿真,溢流堰流場仿真,潰壩以及攪拌器內流場仿真等。結合SimericsMP+的具體應用,SimericsMP+ VOF模型具有如下特點:

  • 可處理具有復雜結構的模型
  • 可考慮微米間隙問題
  • 具備多種類型的網格技術,可針對不同模型采用不同方法劃分網格
  • 先進的移動/滑動/變形網格之間的交互面技術(MGI)
  • 可應用于多種類型的運動機械和閥門
  • 可適用于大范圍的動壓改變
  • 與實驗值具有良好的吻合性
  • 合理的計算時間,對于復雜問題亦是如此
  • 具有良好的收斂性和穩定性。


圖 9 液環泵氣液兩相模擬


SimericsMP+支持MPI并行和DME并行。MPI并行可支持跨節點多機并行,速度超快,可擴展性強;DME并行算法主要應用于有/無圖形界面的單機工作站上,它具有與MPI并行相同的計算效率。可以大大提升變速箱攪油潤滑分析的計算速度。SimericsMP+的并行計算具有以下特點:

  • 混合算法,MPI & 直接存儲
  • 分布式集群并行
  • 在一定核數范圍內,速度線性增加
  • 提高客戶設計、仿真和優化效率
  • 模型打開和保存支持并行


圖 10 MPI并行計算   

 

4. 典型應用案例

采用SimericsMP+進行齒輪潤滑仿真可以獲得以下結果:

  • 氣液界面的精確捕捉,油液的潤滑分布
  • 油液溫度變化對轉子扭矩以及功耗等的影響
  • 壓力、速度云圖分布等
  • 氣體體積分數分布
  • 監測點壓力脈動
  • 不同壓力或噴油流量條件下的噴射潤滑效果
  • ……

以下是關于SimericsMP+通用齒輪的典型應用案例。


4.1 多對齒輪油泵吸油分析

  


圖 11 網格模型


圖 12 壓力云圖


4.2 行星齒輪組(邊界層)

  • 網格數400萬
  • 邊界層總厚度20um,3層網格
  • 每圈180個時間步長
  • 計算時長9小時6圈(84核)


圖 13 網格動畫


圖 14 噴射潤滑動畫(油液體積分數>0.2)


圖 15 氣液界面捕捉動畫

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4.3 FEV發動機變速箱齒輪攪油模擬實例


0:15

圖 16 試驗樣機模型


4.4 其他相關應用


圖 17 羅茨泵網格


圖 18 羅茨泵壓力動畫


5. 小結

SimericsMP+的通用齒輪模板結合其強大的求解器功能,為用戶提供了一種更精確、快速、可靠的變速箱齒輪潤滑分析的技術手段,同時也可以適用于其他齒輪機械的流場仿真,因此具有更廣泛的適應性。主要包括:

  • 通用齒輪模板技術涵蓋了原有齒輪泵模板的功能,并擴大至更多種傳動齒輪機械類型,因此可以適用于新月形齒輪泵、外嚙合齒輪泵、螺桿泵/壓縮機、斜齒泵、羅茨泵、三螺桿/齒輪泵、行星齒輪、內嚙合齒輪泵(正在更新中)等;
  • SimericsMP+的VOF模型和高性能并行求解技術使得對于復雜的變速箱潤滑模擬的工程應用得到了大幅滿足,在滿足精度的同時,又具備工程應用的計算效率;
  • 結合SimericsMP+的其他模板應用功能,可適用于發動機零部件、系統和整機方向的流體仿真,在航空、汽車、船舶的發動機變速箱設計研究領域具有大量專業性應用。 


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