湿式摩擦副流-热-固-摩擦多物理场耦合分析与数值建模方法研究

Wet friction pair is used in the wet clutch, hydroviscous drive and wet brake, is the key part of the transmission system. Hot spots and warpage are the main failure forms caused by frictional heat. The oil, between in friction plate and steel plate, lubricates and coolings the friction pair, which results in the nonlinear fluid-thermal-solid-friction coupling process of the wet friction pair. The Frictionally Excited Thermoelastic Instability theory, which was developed based on the dry friction, is needed to be further developed, with exploring the fluid-thermal-solid-friction coupling process, because it is not completely accuracy for the existence of fluid role. Theoretical analysis and experimental study have limitations, because of the complexity of the problem and the limitation of testing technology. Establish numerical model and develop unified numerical simulation method for the fluid-thermal-solid-friction coupling process of the wet friction pair, are the effective methods for the research on multiphysics coupling problem. In this research, the lubrication friction theory and the friction state identifying method will be used to study the frictional heat of the wet friction pairs to reveal the coupling relation of the friction heat process and the heat conduction process of the wet friction pair. The coupling process and interaction mechanism of the fluid-thermal-solid-friction multiphysics will be researched, numerical model will be established and unified numerical simulation method will be developed in this research.

湿式摩擦副广泛应用于离合器、制动器和液黏调速装置中，是大功率传动系统中的关键部件，由摩擦热引起的摩擦副烧蚀和翘曲变形严重制约产品可靠性。由于摩擦副界面流体具有润滑和冷却双重作用，湿式摩擦副是流-热-固-摩擦多物理场耦合作用的高度非线性系统，干式摩擦副的热弹性不稳定性理论已不适合解释湿式摩擦副热损伤现象。基于润滑摩擦理论和润滑摩擦状态判别方法，综合考虑摩擦副滑摩过程的各种影响因素，构建多物理场间相互耦合作用的数值模型是解决该问题的途径。课题研究湿式摩擦副滑摩过程的润滑摩擦热计算方法，通过分析润滑摩擦状态下，摩擦生热与摩擦副传热之间的耦合关系，揭示润滑摩擦生热、冷却流场、温度场、应变场之间的耦合作用机理，最终建立流-热-固-摩擦多场耦合数值模型并提出模拟方法。课题研究成果将提高多场耦合数值模拟的技术水平。

湿式摩擦副广泛应用于离合器、制动器和液黏调速装置中，是保证重型车辆装备可靠性和持续工作能力的重要因素。摩擦副工作品质不稳定且在高能量密度摩擦下的烧蚀变形是困扰车辆性能提高的瓶颈问题之一。研究分析摩擦副温度场和热损伤的发展变化过程，对湿式摩擦副的摩擦热损伤机理研究和优化设计具有重要意义和价值。.项目改进了平均流量模型，建立了修正的雷诺方程并计算得到了接合过程中油膜压力和油膜厚度的变化规律。采用Greenwood-Tripp接触模型，建立了摩擦热计算方程，结合流-热-固-摩擦及传热的耦合关系，得到了湿式摩擦副接触面温度场数值模型。通过研究湿式摩擦副界面温度场及热点分布的时空变化特性，分析了摩擦副摩擦性能与润滑、流场、温度场、粗糙表面弹塑性变形之间的耦合关系，提出了多物理场耦合作用下的混合摩擦温度场数值模拟方法。项目搭建了湿式摩擦副综合试验平台及盘式摩擦副混合摩擦特性及温度场测试研究系统，通过试验分析了多物理场耦合关系，验证了混合摩擦热数值模拟方法。.研究表明，湿式摩擦副接触面温度场随时空变化呈现高度非线性，热点在摩擦副对偶钢片环面分布状态与接触应力时空分布相对应，热点数目随接合压力和相对转速差增加而增多，热点极值始于相对转速达到极值时出现；相对转速对于最大温升幅值的影响大于接触压力；摩擦副环面内径处易出现塑性应变；混合摩擦过程中，摩擦系数随润滑流量升高而减少，随接触压力增加而升高。随着摩擦片沟槽所占面积比增加，实际接触面积降低，摩擦系数变小。摩擦与传热耦合计算是构建非稳态热混合润滑摩擦数学模型的关键，计算过程中可通过程序实时迭代润滑流量与应变场变形数据，实现对湿式摩擦副的流-热-固-摩擦多场耦合数值模拟。.项目对于混合润滑状态下摩擦热变化规律的研究及流-热-固-摩擦多物理场相互作用的分析，建立的摩擦热数值模型可用于分析摩擦副温度场和热损伤发展变化过程，为湿式摩擦副热弹性不稳定性问题的深入研究提供可靠的研究方法和分析技术。