多物理場(chǎng)仿真助力加快摩擦潤(rùn)滑研究進(jìn)程

彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑（elastohydrodynamic lubrication，簡(jiǎn)稱“彈流潤(rùn)滑”）研究充分反映了 21 世紀(jì)工程仿真問(wèn)題的復(fù)雜性。彈流潤(rùn)滑描述兩個(gè)嚙合面（如軸承和齒輪）的變形與使其分離的流體動(dòng)力學(xué)之間的耦合效應(yīng)。如果在研究中引入熱效應(yīng)，就演變?yōu)闊釓椥粤黧w動(dòng)力潤(rùn)滑（下文簡(jiǎn)稱“熱彈流潤(rùn)滑”）問(wèn)題。潤(rùn)滑油膜厚度通常為微米級(jí)或更小尺度，但足以保障其良好的低摩擦磨損特性。深入了解熱彈流潤(rùn)滑機(jī)制，有助于改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率密度、效率以及噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）性能。

在機(jī)械零件潤(rùn)滑接觸的設(shè)計(jì)過(guò)程中，非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是將潤(rùn)滑油本身也當(dāng)作機(jī)械零件來(lái)處理。借助熱彈流潤(rùn)滑仿真，研究人員能夠全面分析潤(rùn)滑接觸，減少制造物理原型的數(shù)量。實(shí)踐證明，使用多物理場(chǎng)建模和計(jì)算機(jī)仿真來(lái)分析熱彈流潤(rùn)滑接觸，正是解決此類問(wèn)題最有效的途徑（圖 1）。

圖 1. 正在運(yùn)轉(zhuǎn)的浸油潤(rùn)滑齒輪副的高速攝影圖片（左）和彈流潤(rùn)滑接觸示意圖（右）。 圖注：Wheel - 大齒輪； Pressure - 壓力； Temperature - 溫度； Pinion - 小齒輪； Lubricant - 潤(rùn)滑油； Lubricant film thickness - 潤(rùn)滑油膜厚度

應(yīng)對(duì)微米級(jí)測(cè)量難題

由于潤(rùn)滑油膜和固體變形都是微米級(jí)尺度，如果通過(guò)在接觸區(qū)域放置傳感器來(lái)進(jìn)一步了解熱彈流潤(rùn)滑性能將極為困難。“兩齒側(cè)面間的潤(rùn)滑油膜厚度在一微米以內(nèi)，約為頭發(fā)直徑的十分之一。接觸壓力一般高達(dá) 2GPa，幾乎相當(dāng)于一塊指甲大小的地面承受 30 輛乘用車時(shí)受到的壓強(qiáng)?！盩homas Lohner 解釋道，他在德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）的齒輪研究中心（FZG）擔(dān)任彈流潤(rùn)滑摩擦接觸和效率研究部門(mén)主管。

借助數(shù)值仿真，工程師們能夠設(shè)計(jì)各式熱彈流潤(rùn)滑接觸方案，最終實(shí)現(xiàn)齒面與潤(rùn)滑油的合理搭配。仿真分析的難點(diǎn)在于熱彈流潤(rùn)滑是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題。潤(rùn)滑油是一種流體，因此模型需要引入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD），其中主要求解修正雷諾方程（納維-斯托克斯方程的簡(jiǎn)化形式）。粘度等潤(rùn)滑油性能在很大程度上取決于壓力和溫度變化。此外，潤(rùn)滑油的流動(dòng)特性在高剪切速率下會(huì)變?yōu)榉蔷€性流動(dòng)。潤(rùn)滑薄膜內(nèi)的剪切和壓縮作用會(huì)產(chǎn)生接觸熱，熱量通過(guò)對(duì)流和傳導(dǎo)進(jìn)行傳遞。溫度變化會(huì)影響潤(rùn)滑油性能，從而影響流體動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)，最終產(chǎn)生彈性變形，變形行為又反過(guò)來(lái)影響熱量的產(chǎn)生。每個(gè)物理量之間都存在相互影響，由此形成高度非線性的迭代循環(huán)，其中包括耦合結(jié)構(gòu)力學(xué)分析揭示的齒面彈性變形。

從紙上設(shè)計(jì)到仿真模型，再到仿真 App

Lohner 和團(tuán)隊(duì)成員參考黎巴嫩美國(guó)大學(xué)（Lebanese American University）的 Wassim Habchi 教授發(fā)表的求解方法[1]構(gòu)建了一個(gè)仿真 App。然而，“紙上得來(lái)終覺(jué)淺”，發(fā)表的數(shù)據(jù)并不代表實(shí)際的求解結(jié)果?！拔覀?cè)?COMSOL Multiphysics 軟件中使用了這個(gè)求解方法，在整個(gè)分析過(guò)程中，軟件給我們帶來(lái)了極大的便利?！?Lohner 解釋道，“我們不僅能夠根據(jù)實(shí)際情況靈活地修正雷諾方程，還能耦合其他物理場(chǎng)，從而成功創(chuàng)建了熱彈流潤(rùn)滑數(shù)學(xué)模型。各種方程的自由組合與多物理場(chǎng)耦合是 COMSOL 軟件的核心優(yōu)勢(shì)?！?/p>

軟件的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在支持用戶選擇不同的物理場(chǎng)、添加自定義方程，并使用強(qiáng)大的全耦合功能得到精確的求解結(jié)果[2]。在整個(gè)工作流程中，用戶無(wú)需了解具體的數(shù)值求解的技術(shù)細(xì)節(jié)，從而將精力集中在建模上?！拔覀冄芯恐行闹饕芯繖C(jī)械零件，尤其是齒輪的設(shè)計(jì)和優(yōu)化?！盠ohner 解釋說(shuō)，“COMSOL 內(nèi)置的各種接口和多物理場(chǎng)方法使我們能夠?qū)Ｗ⒀芯抗こ虇?wèn)題，而不必糾結(jié)于求解的數(shù)值算法。除此之外，軟件的持續(xù)開(kāi)發(fā)和更新也讓我們不斷從中受益。”在計(jì)算壓力和膜厚時(shí)，研究人員使用“弱形式邊界偏微分方程”接口來(lái)輸入廣義雷諾方程[1]，并主要依靠軟件提供的預(yù)定義接口來(lái)計(jì)算溫度[2]。

Lohner 和他的團(tuán)隊(duì)借助軟件中的“App開(kāi)發(fā)器”工具創(chuàng)建了一款名為“Tribo Mesh”的仿真 App（圖 2），并在整個(gè)研究中心與同事分享他們的仿真工具。其他同事能夠通過(guò)仿真 App 尋求更多新的解決方案，極大地提高了團(tuán)隊(duì)的整體工作效率。

圖 2. 定制的仿真 App，將復(fù)雜的熱彈流潤(rùn)滑多物理場(chǎng)耦合求解結(jié)果封裝到一個(gè)簡(jiǎn)單易用的工具中，可供研究中心的所有人員訪問(wèn)使用。

團(tuán)隊(duì)將仿真 App 部署到了本地工作站，并授予一部分同事訪問(wèn)權(quán)限。在不久的將來(lái)，他們還計(jì)劃利用 COMSOL Server? 產(chǎn)品將仿真 App 分享給更多同事和項(xiàng)目合作伙伴，用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可運(yùn)行這些仿真 App。

這個(gè)仿真 App 的用途之一是分析類金剛石碳（diamond-likecarbon，簡(jiǎn)稱DLC）涂層可以在多大程度上提升齒輪的效率性能?！拔覀兊脑囼?yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)表明，與無(wú)涂層齒輪相比，DLC 涂層大大降低了齒輪的摩擦系數(shù)?！盠ohner 解釋說(shuō)。其原因何在？齒輪表面的涂層如何能夠影響潤(rùn)滑油的性能？團(tuán)隊(duì)將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入仿真 App 進(jìn)行分析，結(jié)果表明，DLC 涂層能將熱量保留在熱彈流潤(rùn)滑接觸中，以此降低潤(rùn)滑油的粘度，進(jìn)而減少摩擦（圖 3）[3]?！癉LC 涂層確實(shí)具有隔熱效果，如果沒(méi)有仿真，我們就無(wú)法驗(yàn)證這一假設(shè)的正確性。現(xiàn)在，我們對(duì)系統(tǒng)中的熱流和潤(rùn)滑油性能都有了深刻的理解。”Lohner 表示。

圖 3. 熱彈流潤(rùn)滑仿真結(jié)果：無(wú)涂層（左）和帶 DLC 涂層（右）的齒輪副的溫度分布。 圖注：Wheel - 大齒輪； Pinion - 小齒輪

化繁為簡(jiǎn)，步步為“贏”

Lohner 及其團(tuán)隊(duì)根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)分享了多物理場(chǎng)建模和仿真 App 的使用心得：“直接構(gòu)建極其復(fù)雜的系統(tǒng)，并試圖一次性解決所有問(wèn)題，這幾乎是不可能的。首先，我們必須最大程度地簡(jiǎn)化問(wèn)題?！痹诖税咐?，團(tuán)隊(duì)以修正雷諾方程作為切入點(diǎn)，將其與簡(jiǎn)單的彈性方程耦合求解，在這一階段忽略了熱效應(yīng)?！半S后，我們一步步加入更復(fù)雜的物理效應(yīng)。令人欣喜的是，無(wú)論問(wèn)題多么復(fù)雜，你都可以在 COMSOL 中進(jìn)行模擬，并根據(jù)具體需求，輕松得到準(zhǔn)確的求解結(jié)果。”他還特別強(qiáng)調(diào)，軟件的強(qiáng)大功能并不意味著可以直接求解整個(gè)復(fù)雜物理問(wèn)題?！懊鎸?duì)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，需要按步驟、有條不紊地逐一解決。在進(jìn)入下一步之前，必須確保每一步都經(jīng)過(guò)驗(yàn)證?！?/p>