[发明专利]一种内燃机活塞-缸套摩擦副动力学与摩擦学耦合的建模方法

说明书

本发明涉及一种内燃机活塞‑缸套摩擦副动力学与摩擦学耦合的建模方法，其包括如下步骤：步骤S1，建立内燃机的参数化几何模型；步骤S2，定义全局参数、变量、函数、探针；步骤S3，添加物理场；步骤S4，设置内燃机缸套、活塞顶部、活塞裙部、活塞销、连杆、曲柄等构件以及润滑油的材料属性；步骤S5，网格划分；步骤S6，设置各物理场属性和边界条件；步骤S7，确定物理场耦合关系，建立多物理场耦合模型；步骤S8，对所建多物理场耦合模型进行瞬态求解；步骤S9，动力学与摩擦学特性分析。本发明考虑了内燃机活塞‑缸套系统动力学与摩擦学的耦合作用，使得结果更加接近实际情况，并易于实现多因素、多学科集成和扩展。

技术领域

本发明涉及内燃机动力学与摩擦学研究领域，尤其是一种内燃机活塞-缸套摩擦副动力学与摩擦学耦合的建模方法。

背景技术

在当前和未来一段时间内，内燃机仍然是乘用车、商用车和船舶的主要动力装置。随着发动机燃油经济性要求的提高，以及发动机朝着紧凑化、轻量化及高功率密度水平方向的发展，内燃机关键摩擦副的低摩擦和可靠性设计成为人们日益关注的重点。在内燃机的活塞-缸套，曲柄主轴承，连杆大、小端轴承，活塞销轴承等多个摩擦副中，活塞总成摩擦损失占内燃机总功率损失的最大部分，这主要是由活塞环和活塞裙部与缸套的相对运动引起的。另外，活塞裙部还与活塞拍打噪声、振动和耐久性密切相关。因此，深入研究活塞裙部-缸套系统动力学与摩擦学特性对优化活塞设计参数使得发动机以低油耗、低噪音和低排放的最佳运转具有重要意义。

然而，长期以来，由于内燃机活塞-缸套系统特殊的结构形式和复杂的受力状况，理论研究难度较大，其摩擦学和动力学行为的分析是在两个独立的领域里分别进行的。此外，有学者通过将活塞-缸套系统视为一个二自由度系统，选取活塞在裙座顶部和底部的侧向位移作为系统的自由度，通过活塞裙部力和力矩的平衡，得到活塞二次运动的控制微分方程组，以此建立活塞的动力学模型来研究活塞的二阶运动和润滑特性，但这种耦合分析方法很难考虑其他因素的影响(如连杆惯性、构件柔度等)。另外，大多数学者只是针对单个的摩擦副进行研究，由于通过经典力学方法构建的考虑多摩擦副的动力学模型极其复杂，润滑模型求解计算量巨大，而对多摩擦副之间的性能依赖行为缺少研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明以内燃机活塞-缸套摩擦副为研究对象，基于COMSOL多物理场仿真软件，设计了一种内燃机活塞-缸套摩擦副动力学与摩擦学耦合方法，以开展其润滑机理、润滑模型的深入研究。该发明方法方便实现摩擦学与多体动力学耦合作用，便于同时考虑多摩擦副之间的性能依赖行为，易于实现多因素、多学科集成和扩展。其采用的技术方案如下：

一种内燃机活塞-缸套摩擦副动力学与摩擦学耦合的建模方法，包括如下步骤：

步骤S1，基于COMSOL多物理场仿真软件，建立内燃机的参数化几何模型：包括缸套、活塞、活塞销、连杆、曲柄的几何尺寸及质心位置，活塞销的偏置结构参数；

步骤S2，定义全局参数、变量、函数、探针；

步骤S3，添加物理场，物理场包括多体动力学物理场，薄膜流动、壳物理场；

步骤S4，设置内燃机缸套、活塞顶部、活塞裙部、活塞销、连杆、曲柄等构件以及润滑油的材料属性；

步骤S5，网格划分，划分网格之前采用虚拟操作忽略部分边界，根据各个物理场的需要采用结构化网格或自由四面体网格进行网格划分并进行网格细化；

步骤S6，设置多体动力学物理场，薄膜流动、壳物理场的属性和边界条件；