一种基于制造技术

本发明专利技术公开了一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于CFD的齿轮箱散热模拟仿真方法


[0001]本专利技术属于机械传动
，具体是涉及一种基于
CFD
的齿轮箱散热模拟仿真方法
。

技术介绍

[0002]在机械传动
，齿轮箱传动是应用范围最广的传动形式，具有传动比准确，功率损失小，可靠性高等特点，可以实现降速增扭，改变动力输出方向等功能
。
由于箱内各种功率损失，齿轮箱在工作过程中将产生热量，一部分与齿轮箱表面对流换热，导致齿轮箱温度升高，影响齿轮箱使用寿命
。
另一部分热量被箱内润滑油吸收，导致润滑油温升高，影响其润滑效果，使齿轮或轴承发生磨损，点蚀等失效形式，从而影响齿轮箱的传动特性
。
[0003]传统方法对齿轮箱散热的分析研究，一般采用试验方法制作样箱，对齿轮箱散热情况进行宏观分析
。
然而制作样箱成本高，试验周期长还需要搭建相应的试验台
。
[0004]计算流体动力学
(Computational Fluid Dynamics
，
CFD)
通过计算机和数值计算来求解流体的控制方程，实现对流体问题的模拟仿真
。
相比试验方法其具有应用范围广，成本低，计算周期短等优势
。
目前，
CFD
在齿轮箱散热领域应用较少
。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供了一种基于
CFD
的齿轮箱散热模拟仿真方法，该方法相对于传统试验方法整体简单易行，显著提高研究效率，降低研究成本
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于
CFD
的齿轮箱散热模拟仿真方法，包括以下步骤：
[0007]S1
，建立齿轮箱几何模型和简化遮挡体几何模型即固体域模型；
[0008]齿轮箱几何模型是根据齿轮箱的设计图纸，使用三维建模软件
CATIA
建立的齿轮箱的实体模型，清理对计算结果影响较小的微小几何结构，如圆角，螺栓孔，并保存为
*.x_t
文件以备后续计算应用，其中三维建模软件
CATIA
为商用三维建模软件，
*.x_t
为该软件的输出文件格式；
[0009]简化遮挡体几何模型是模拟齿轮箱实际使用中周围零部件对齿轮箱散热的遮挡作用，根据齿轮箱周围零部件设计图纸，对其进行简化处理，使用三维建模软件
CATIA
建立的实体模型，并保存为
*.x_t
文件以备后续计算应用；
[0010]S2
，对固体域模型进行前处理，主要包括抽取流道获得流体域模型，选择相应的网格划分方法并生成满足计算要求的
CFD
网格；
[0011]流体域模型是包括固体域模型的立方体模型，使用
ANSYS Workbench
软件中的
Geometry
模块实现对流道的抽取，其中
ANSYS Workbench
软件是商用的多物理场协同仿真软件；
[0012]CFD
网格是在
ANSYS Workbench
软件中将
Geometry
模块生成的流体域模型导入到
Meshing
模块中进行划分的，其中物理偏好设置为
CFD
，求解器偏好设置为
Fluent
，目标偏度
设置为
0.9
，平滑设置为高；
[0013]在齿轮箱表面设置面尺寸调整对其局部加密并设置膨胀层，其中膨胀选项设置为第一层厚度，最大层数设置为5，增长率设置为
1.2
，第一层高度根据壁面
y+
值，通过
Y+Wall Distance Estimation
在线计算器确定；
[0014]所述的壁面
y+
值表示到壁面处的无量纲距离；
[0015]所述的壁面
y+
值按照如下式计算：
[0016][0017]式中
ρ
表示流体密度，
u
表示流体速度，
y
表示与壁面最近的网格点到壁面的距离，
μ
表示流体粘度；
[0018]所述的
Y+Wall Distance Estimation
在线计算器是
CFD
‑
Online
出品的在线计算工具，输入来流速度，流体密度，粘度，特征长度，
y+
期望值即可计算膨胀层第一层厚度；
[0019]在固体域模型临近区域采用补丁适形法生成四面体网格以获得较高网格质量，其余区域采用扫掠方法生成六面体网格以提高计算效率；
[0020]所述的
CFD
网格的检查标准为最小网格体积大于0，网格质量大于
0.3
，以保证计算的准确性；
[0021]S3
，根据齿轮箱的实际工况，设置
CFD
计算软件中的湍流模型，材料属性，边界条件，求解方法，收敛条件，迭代次数，初始化参数，进行
CFD
求解计算，监测壁面温度及壁面强迫对流换热系数
h
，并保存结果文件；
[0022]所述的
CFD
计算软件是
ANSYS Workbench
中的
Fluent
模块；
[0023]湍流模型可设置为
RNG k
‑
epsilon
湍流模型或
SST k
‑
omega
湍流模型；
[0024]在边界条件中，设置流场进口为速度入口条件，并设置来流速度及来流温度，流场出口设置为压力出口条件；进
、
出口湍流强度设置为5％，湍流粘度比设置为
10
，设置齿轮箱内壁面为体积热源，热源功率为齿轮箱的功率损失；
[0025]求解方法设置为稳态求解，压力速度耦合设置为
SIMPLE
方案，空间离散中梯度采用
Least Squares Cell Based
格式离散，其余采用二阶离散格式；
[0026]在收敛条件中，设置
energy
项收敛条件为1×
10
‑6，其余项收敛条件设置为1×
10
‑3，其中为提高计算精度可以适当缩小收敛条件；
[0027]迭代次数设置为
500
次，或根据计算收敛情况对迭代次数进行调整；
[0028]所述的壁面强迫对流换热系数
h
表征齿轮箱与流体之间的对流换热能力；
[0029]所述的壁面强迫对流换热系数
h
按照如下式计算：
[0030][0031本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
CFD
的齿轮箱散热模拟仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1
，建立齿轮箱几何模型
(2)
和简化遮挡体几何模型
3)
即固体域模型；齿轮箱几何模型
(2)
是根据齿轮箱的设计图纸，使用三维建模软件
CATIA
建立的齿轮箱的实体模型，清理对计算结果影响较小的微小几何结构，如圆角，螺栓孔，并保存为
*.x_t
文件以备后续计算应用，其中三维建模软件
CATIA
为商用三维建模软件，
*.x_t
为该软件的输出文件格式；简化遮挡体几何模型
3)
是模拟齿轮箱实际使用中周围零部件对齿轮箱散热的遮挡作用，根据齿轮箱周围零部件设计图纸，对其进行简化处理，使用三维建模软件
CATIA
建立的实体模型，并保存为
*.x_t
文件以备后续计算应用；
S2
，对固体域模型进行前处理，主要包括抽取流道获得流体域模型
(1)
，选择相应的网格划分方法并生成满足计算要求的
CFD
网格；流体域模型
(1)
是包括固体域模型的立方体模型，使用
ANSYS Workbench
软件中的
Geometry
模块实现对流道的抽取，其中
ANSYS Workbench
软件是商用的多物理场协同仿真软件；
CFD
网格是在
ANSYS Workbench
软件中将
Geometry
模块生成的流体域模型
(1)
导入到
Meshing
模块中进行划分的，其中物理偏好设置为
CFD
，求解器偏好设置为
Fluent
，目标偏度设置为
0.9
，平滑设置为高；在齿轮箱表面设置面尺寸调整对其局部加密并设置膨胀层，其中膨胀选项设置为第一层厚度，最大层数设置为5，增长率设置为
1.2
，第一层高度根据壁面
y+
值，通过
Y+Wall Distance Estimation
在线计算器确定；所述的壁面
y+
值表示到壁面处的无量纲距离；所述的壁面
y+
值按照如下式计算：式中
ρ
表示流体密度，
u
表示流体速度，
y
表示与壁面最近的网格点到壁面的距离，
μ
表示流体粘度；所述的
Y+Wall Distance Estimation
在线计算器是
CFD
‑
Online
出品的在线计算工具，输入来流速度，流体密度，粘度，特征长度，
y+
期望值即可计算膨胀层第一层厚度；在固体域模型临近区域采用补丁适形法生成四面体网格以获得较高网格质量，其余区域采用扫掠方法生成六面体网格以提高计算效率；所述的
CFD
网格的检查标准为最小网格体积大于0，网格质量大于
0.3
，以保证计算的准确性；
S3
，根据齿轮箱的实际工况，设置
CFD
计算软件中的湍流模型，材料属性，边界条件，求解方法，收敛条件，迭代次数，初始化参数，进行
CFD
求解计算，监测壁面温度及壁面强迫对流换热系数
h
，并保存结果文件；所述的
CFD
计算软件是
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨孔华，刘春宝，田钰，骆昱超，刘亦斌，翟璐，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：