基于star-ccm+的fad组件润滑仿真分析-cd-adapco

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1、基于STAR-CCM+的FAD组件润滑仿真分析王光绪，AhmicJasmin，邓华红（麦格纳动力总成常州有限公司，常州213034）(Tel:15850585261,Email:guangxu.wang@magna.com)摘要：对于汽车驱动系统中前驱动模块（FAD）齿轮、轴承在传动过程中的硬接触，选择合适的油液、合理的液面高度进行润滑至关重要。通过实验来监测润滑效果耗费很大，而通过STAR-CCM+这一流体仿真工具，尤其是其中的OVERSET网格功能，却可以很方便的对油液在系统中的运动进行模拟，准

2、确获知油液的运动情况，从而合理选择不同参数的油液，确定最佳液面位置，节省实验成本，缩短设计与开发周期。关键词：传动、FAD、润滑、STAR-CCM+、OVERSET。0前言计算流体力学（CFD）是一种使用计算机作为工具模拟流体运动，热量传递等现象的分析工具。伴随着计算机技术的快速发展，数值计算、数值模拟能够更加方便的使用到工程应用当中。目前比较流行使用的CFD流体分析软件包括CFX、Fluent、STAR-CCM+等。STAR-CCM+是CD-adapco公司采用最前沿的连续介质力学分析技术开发的新

3、一代CFD求解器。作为一种典型的CFD软件，其操作更加流程化。首先，软件将整个CAE分析流程集成在一个GUI当中，从而使用户系统的使用STAR-CCM+来处理工程问题而摆脱对CAD造型软件、其他网格生成软件、以及结果后处理软件、动画制作等软件的依赖。此外，STAR-CCM+软件中对于多面体网格的使用技术已是相当成熟。多面体网格作为STAR-CCM+中最常用的网格，比四面体网格在求解过程中更容易收敛，节省用户的计算资源和计算时间。Overset网格的使用更可以将动网格技术应用到传动系统当中，使计算更加

4、可视、高效[1]。随着我国汽车行业的不断发展，汽车部件的流体动力学问题越来越受到广泛关注。汽车驱动系统中，FAD包含了齿轮、轴承等部件。直接使用硬接触将导致齿轮和轴承等部件产生高温、蠕变、疲劳、断裂，加速破坏。因此，我们需要在承载这些部件的腔体中加入油液进行润滑，以增加齿轮、轴承、花键等的使用寿命。而加入何种特性的油液、加入多少油液才能更好的达到润滑效果，往往有两种方法来测定：一种是通过实验的方法来检测，另一种采用CFD仿真和试验验证相结合来获得。前者比较准确可靠，但是试验所需周期较长，且费用昂贵，

5、比较难以实现；后者通过CFD软件进行流体仿真，具有可再现性、周期短、成本低等特点，并且与试验验证相结合保证结果的准确性。STAR-CCM+针对齿轮啮合、传动等动态流体求解问题，其OVERSET动网格功能具有很大的求解优势。因此，本文将以STAR-CCM+作为求解工具，对油液飞溅润滑FAD组件进行模拟，为选择合理油液并确定最佳液面高度提供数据支持。1模型建立1.1理论假设对FAD组件润滑进行仿真分析，就是研究油液流动的问题。流体的流动与固体相比，是更加复杂的一种运动方式。相应的，建模和数值模拟也会更加

6、困难。然而，所有流体流动都遵循这样几条基本定律：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。由三个守恒定律可以推导出三个方程，分别为：连续性方程、动量方程（纳维-斯托克斯方程）、能量方程。由此联立可得纳维-斯托克斯方程组，即N-S方程组。随着雷诺数的增加，流场中会出现一些小的漩涡，从而使时间量标增长导致的振幅变化非常缓慢，这样对于N-S方程的求解将变得更加困难。在我们的流体体系中，采用雷诺平均N-S方程。这是将各种扰流简化并平均近似得到的结果[2]。避免扰流情况如图1所示。由于在FAD腔体内部齿轮转动

7、所能带动的运动速度较低，而马赫数Ma<0.3时，空气密度的变化对流体运动的影响可以忽略，因此采用不可压缩流动假设，其控制方程表达为[3]:∂u∂u1∂p1∂ଶu୧୧୧൅u୧ൌെ൅ݑ∂t∂x୨ߩ∂x୧ߩ∂x୧∂x୨∂u୧ൌ0∂x୧其中，i,j,k是三个坐标方向的分量，ρ为流体密度，u为流场粗度，西递安科软件技术（上海）有限公司上海市浦东新区陆家嘴环路166号未来资产大厦5楼D座北京市朝阳区酒仙桥路20号颐堤港一座5层506室图1近壁面扰流偏微分方程的求解有有限元法、有限差分法以及有限体积法。STAR-

8、CCM+采用的是有限体积法。这种方法的特点是计算效率高，基本思路包括：用网格将流体区域化为离散的控制体积，将待解的控制方程对每一个控制体积分，形成速度、压力、温度等未知离散变量的代数方程，然后把离散的非线性方程组线性化，并求解，获得新的变量值[4]。1.2模型简化及网格划分如图2为FAD模型的外观。其中透明部分为背景区域，大齿轮和齿轮轴分别绕轴线做旋转。大齿轮的转速为2500rpm，齿轮轴的转速为9722rpm，传动比为3.889。对于.两个部件同时旋转的问题，STA