Методика расчета теплонапряженности узлов главной передачи и колесного редуктора на пространственной модели автомобиля с использованием CAD-геометрии деталей

Рассматривается моделирование многотельной модели грузового автомобиля, главной передачи и колесного редуктора, выделение поверхностей для расчета теплонапряженности на основе CAD-геометрии. Представлены результаты расчета пространственных тепловых полей в некоторых внутренних и внешних деталях моделей. Приводятся сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными.

Ключевые слова: MBS, теплонапряженность, CAD-геометрия, моделирование, динамика систем тел

Введение

Для решения широкого класса задач моделирования при исследовании и проектировании машин используется метод моделирования динамики систем тел. В методе используется полная пространственная модель системы тел со связями, позволяющая моделировать динамику всех узлов конструкции при различных режимах движения машин [1]. Построение модели системы тел на основе геометрии конструкции, ее параметризация и последующие расчеты различных режимов движения позволяют получить динамические характеристики (перемещения, скорости, ускорения, силы реакций в связях), которые можно использовать для анализа и в качестве входных данных для других моделей физических процессов [5].

Для численного анализа различных физических процессов отдельных узлов конструкции, в частности процессов теплонапряженности деталей в модель системы тел вводятся вспомогательные модели отдельных деталей или областей внутри деталей, в которых протекает процесс теплопередачи. При этом на основе конструкторской геометрии строится дискретная модель, позволяющая провести расчет при заданных параметрах теплопередачи. В частности, силовые характеристики в парах трения и зубчатых зацеплениях, получаемые из полной модели машины, позволяют оценить тепловые потоки на границах контакта пары трения или зубчатой передачи. Тепловые потоки на внутренних поверхностях корпуса и в парах трения, а также теплоотдача от внешней поверхности корпуса учитываются в граничных условиях дискретной модели теплопередачи [2].

Создание общей модели автомобиля имодели главного моста

Для анализа теплонапряженности деталей машин предложена и использована методика моделирования динамики систем тел со вспомогательными моделями теплопередачи в отдельных подсистемах.

В качестве примера была создана пространственная модель колесного автомобиля, представляющую собой систему тел со связями (рис. 1). Рассмотрены тепловые потоки в отдельных частях конструкции главной передачи автомобиля.

Модель моста включена в полную модель автомобиля. Расчет такой модели позволяет получить все динамические характеристики каждого тела, а также силы реакций в соединительных элементах, с помощью которых моделируются, в том числе, зубчатые зацепления и подшипники. На основе сил реакций определяются параметры теплонапряженности.

Модель системы тел состоит из упрощенной геометрии тел, которой можно ставить в соответствие конструктивную геометрию. Для расчета теплонапряженности моста в модель введена конструктивная геометрия деталей, входящих в кинематические пары трения и зубчатые зацепления (рис. 2).

Рис. 2. Конструктивная геометрия внутренних деталей корпуса в собранной модели (корпус не показан)

Для численного анализа используется усеченная геометрия корпуса моста (рис. 3).

Рис. 3. Фрагмент геометрии корпуса, используемый для численного анализа

Для задания тепловых потоков на внешней границе геометрии используются геометрические поверхности.

Корпус модели с выделенными поверхностями (рис. 4).

Рис. 4. Выделенные группы поверхностей для задания граничных условий по тепловому потоку: а) для одного из контактов подшипника, б) для внутренней части корпуса

На основе конструктивной геометрии и выделенных поверхностей строится дискретная модель методом генерации регулярной ортогональной сетки. При этом для всех заданных поверхностей формируются наборы узлов сетки [3].

Тепловые потоки через выделенные поверхности учитываются при расчете в граничных условиях второго рода. Остывание через внешние стенки деталей, не имеющие контактов в парах трения и зубчатых зацеплений, моделируется с помощью граничных условий 3 рода.

Расчет теплонапряженности

При оценочных значениях рассчитанной рассеиваемой мощности сил трения в кинематических парах, моделирующих зубчатые зацепления и подшипники, методика позволяет рассчитать теплонапряженность [4]. Результаты расчета пространственных тепловых полей в некоторых внутренних деталях показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Тепловое поле в деталях внутри корпуса редуктора (водило не показано)

Тепловое поле в корпусе возникает при теплопередаче от кинематических пар трения, контактирующих со стенкой корпуса, а также из-за теплопередачи при нагревании масла и воздуха от рассеиваемого тепла в зубчатых зацеплениях. Для моделирования теплопередачи через контакт с парами трения используются тепловые потоки через поверхности закрепления подшипников. Для моделирования теплопередачи через масло и воздух используется тепловой поток на внутренней стенке корпуса моста.

Для моделирования теплового поля внутри моста проведена дискретизация и расчет внутренней области в корпусе. Результаты показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Тепловое поле на стенке корпуса моста (а) и внутри корпуса моста (б)

По результатам расчета проведена идентификация модели сравнением с экспериментальными данными (рис. 7).

Рис. 7. Изменение максимальной температуры

В результате на модели получены результаты пространственного теплового поля, соответствующие снимкам, полученным с помощью тепловизора. Соответствие полей температур на корпусе моста приведено на рисунках 8–10.

Рис. 8. Реальное (а) и модельное (б) распределение температур на корпусе моста

Рис. 9. Реальное (а) и модельное (б) распределение температур на корпусе моста

Рис. 10. Реальное (а) и модельное (б) распределение температур на корпусе моста

Выводы

Результаты эксперимента показывают нелинейный характер изменения температуры при нагревании корпуса и постепенный выход на установившийся режим. Методика моделирования позволяет идентифицировать модель с достаточной точностью, описывающую нагревание на определенных временных интервалах. В тестовой модели к поверхностям нагревания главной передачи приложен постоянный тепловой поток.

Литература:

1. Горобцов, А. С. Представление подвески легкового транспортного средства в системе моделирования «ФРУНД» / А. С. Горобцов, Ан.В. Подзоров // Изв. ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2008. — Вып. 4, № 2. — C. 8–10.
2. Concurrent simulation of multibody systems coupled with stress-strain and heat transfer solvers / В. В. Гетманский, А. С. Горобцов, Е. С. Сергеев, Т. Д. Измайлов, О. В. Шаповалов// Journal of Computational Science. — 2012. — Vol. 3, Iss. 6. — C. 492–497. — Англ.
3. Гетманский, В. В. Распараллеливание расчёта напряжённо-деформированного состояния тела в многотельной модели методом декомпозиции расчётной области / В. В. Гетманский, А. С. Горобцов, Т. Д. Измайлов // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 16: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — № 8 (111), 2013. — C. 5–10.
4. Гетманский, В. В. Вычислительно эффективный метод расчёта теплопередачи при анализе динамики механической системы / В. В. Гетманский, А. С. Горобцов, В. О. Лаптева // Прикладные задачи математики: матер. XXII междунар. науч.-техн. конф. (Севастополь, 15–19 сент. 2014 г.) / Севастопольский нац. техн. ун-т (СевНТУ). — Севастополь, 2014. — C. 65–68.
5. Мультифизические задачи в динамике систем твёрдых и упругих тел / Е. Г. Громов, А. А. Насонов, А. А. Новокщенов, В. О. Фирсова // XI всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (г. Казань, 20–24 авг. 2015 г.): сб. докл. / сост.: Д. Ю. Ахметов [и др.]; АН Республики Татарстан, Казанский (Приволжский) федеральный ун-т [и др.]. — Казань, 2015. — C. 1080–1082.