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

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
摘要：内燃机的活塞和缸套之间是典型的摩擦副，其摩擦性能对于发动机的能效和使用寿命有着重要影响。

本文针对内燃机活塞-缸套摩擦副动力学特点，提出一种基于有限元分析和摩擦学原理的耦合建模方法，对摩擦副的摩擦力和接触应力进行计算和分析。

该方法首先利用ANSYS进行有限元分析，得到摩擦副的应力分布情况，然后通过摩擦学理论对摩擦力进行计算并建立摩擦副的动力学模型，最后对摩擦副的耗能特性和接触疲劳寿命进行分析。

通过实际试验验证，结果表明该方法能够较准确地预测摩擦副的摩擦力和应力分布情况，并对摩擦副的耗能性能和接触疲劳寿命进行较为精确的估算。

关键词：内燃机；活塞-缸套摩擦副；动力学模型；摩擦学；耦合建模
1. 引言
内燃机是一种重要的动力装置，其运转过程中活塞和缸套之间的摩擦副是重要的能量转换和传递部件。

摩擦副的性能对于发动机的功率输出、效率、噪音和寿命等方面有着重要影响。

因此，准确地研究活塞-缸套摩擦副的动力学特性和摩擦学性能，对于提高发动机的功率输出、降低油耗和减少环境污染等方面具有重要意义。

目前，针对活塞-缸套摩擦副的研究主要集中在以下几个方面：摩擦学理论及其
在摩擦副设计中的应用、摩擦副的动力学模型建立、摩擦副的摩擦力和接触应力分析等[1]。

但是，由于摩擦副具有高度的非线性和非稳态特性，因此单独地进行动力学或摩擦学建模容易导致模型不准确或不完整。

基于此，一种耦合的建模方法被提出，该方法将有限元分析和摩擦学理论有机地结合起来，对摩擦副的动力学特性和摩擦学性能进行全面分析。

2. 活塞-缸套摩擦副的有限元模型
在建立摩擦副的动力学模型之前，需要先进行有限元分析，得到摩擦副的应力分布情况。

在实际操作中，可以先将摩擦副的一段简化为一个二维平面应力问题，利用有限元软件ANSYS进行分析。

假设摩擦副内部有一个单向耦合的长方体物体，其长度方向与摩擦副轴向一致，宽度和高度方向分别与径向和周向一致。

图1 活塞-缸套摩擦副有限元模型
如图1所示，摩擦副由一个简化的截面模型代替，截面模型为一个典型的环形结构，内径为60mm，外径为80mm，高度为10mm。

模型采用四节点四边形单元（solid186）进行分析，材料采用YM30钢材料，其杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3。

在运行仿真之前，需要设置边界条件和载荷条件，具体如下：
（1）摩擦副的径向和周向边界上设置固定边界条件。

（2）活塞上施加垂直于其轴向的载荷，载荷大小为10kN。

（3）缸套内部施加10kPa压力载荷，代表内燃机工作时的气压。

在完成有限元仿真后，需要利用ANSYS中的POST26模块将摩擦副的应力分布结果输出到文件中，供后续的摩擦学计算和动力学建模使用。

3. 摩擦学模型和动力学模型的建立
在得到摩擦副的应力分布情况后，需要将其应用到摩擦学模型和动力学模型的建立中。

摩擦学模型主要用于计算摩擦副的摩擦力，而动力学模型主要用于描述摩擦副的振动和加速运动。

3.1 摩擦学模型的建立
根据Coulomb摩擦理论，摩擦力可以用以下公式表示：
Ff = μN
其中，Ff是摩擦力，μ是摩擦系数，N是法向压力。

法向压力的计算可以简单地通过有限元分析的结果得到。

而摩擦系数的计算则需要结合摩擦副的受力情况和表面特征因素来进行。

一般而言，摩擦系数可以分为静摩擦系数和动摩擦系数两
种。

其中，静摩擦系数指摩擦副处于静止状态时的摩擦系数，而动摩擦系数则指摩擦副在运动过程中的摩擦系数。

对于活塞-缸套摩擦副而言，由于其表面间存在微小凸起和沟槽，并且受到温度和润滑方式的影响，因此摩擦系数的大小和变化规律并不简单。

在实际操作中，可以采用分段线性插值的方法来对摩擦系数进行建模。

即针对不同的运动条件和表面特征，分别给出相应的静摩擦系数和动摩擦系数，然后通过分段拟合的方法得到整体的摩擦曲线。

具体而言，可以将摩擦曲线分为三个区域：静摩擦区、转捩区和动摩擦区。

当摩擦副处于静止状态时，摩擦力为零，此时为静摩擦区。

当摩擦副开始运动且运动速度很小的时候，摩擦力非常小，此时为转捩区。

当摩擦副的运动速度达到一定值时，摩擦力逐渐变大，此时为动摩擦区。