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西递安科软件技术（上海）有限公司
上海市浦东新区陆家嘴环路 166 号未来资产大厦 5 楼 D 座
北京市朝阳区酒仙桥路 20 号颐堤港一座 5 层 506 室
基于 STAR-CCM+的 FAD 组件润滑仿真分析 王光绪，Ahmic Jasmin，邓华红
（麦格纳动力总成常州有限公司，常州 213034） (Tel:15850585261, Email:[email protected])
摘要：对于汽车驱动系统中前驱动模块（FAD）齿轮、轴承在传动过程中的硬接触，选择合适的油液、合理的液面
高度进行润滑至关重要。通过实验来监测润滑效果耗费很大，而通过 STAR-CCM+这一流体仿真工具，尤其是其中
的 OVERSET 网格功能，却可以很方便的对油液在系统中的运动进行模拟，准确获知油液的运动情况，从而合理选
择不同参数的油液，确定最佳液面位置，节省实验成本， 缩短设计与开发周期。
关键词：传动、FAD、润滑、STAR-CCM+、OVERSET。
0 前言 计算流体力学（CFD）是一种使用计算机作为工具模拟流体运动，热量传递等现象的分析工具。
伴随着计算机技术的快速发展，数值计算、数值模拟能够更加方便的使用到工程应用当中。目前
比较流行使用的 CFD 流体分析软件包括 CFX、Fluent、STAR-CCM+等。 STAR-CCM+是 CD-adapco 公司采用最前沿的连续介质力学分析技术开发的新一代 CFD 求解
器。作为一种典型的 CFD 软件，其操作更加流程化。首先，软件将整个 CAE 分析流程集成在一个
GUI 当中，从而使用户系统的使用 STAR-CCM+来处理工程问题而摆脱对 CAD 造型软件、其他网
格生成软件、以及结果后处理软件、动画制作等软件的依赖。此外，STAR-CCM+软件中对于多面
体网格的使用技术已是相当成熟。多面体网格作为 STAR-CCM+中最常用的网格，比四面体网格在
求解过程中更容易收敛，节省用户的计算资源和计算时间。Overset 网格的使用更可以将动网格技
术应用到传动系统当中，使计算更加可视、高效[1]。 随着我国汽车行业的不断发展，汽车部件的流体动力学问题越来越受到广泛关注。汽车驱动
系统中，FAD 包含了齿轮、轴承等部件。直接使用硬接触将导致齿轮和轴承等部件产生高温、蠕
变、疲劳、断裂，加速破坏。因此，我们需要在承载这些部件的腔体中加入油液进行润滑，以增
加齿轮、轴承、花键等的使用寿命。而加入何种特性的油液、加入多少油液才能更好的达到润滑
效果，往往有两种方法来测定：一种是通过实验的方法来检测，另一种采用 CFD 仿真和试验验证
相结合来获得。前者比较准确可靠，但是试验所需周期较长，且费用昂贵，比较难以实现；后者
通过 CFD 软件进行流体仿真，具有可再现性、周期短、成本低等特点，并且与试验验证相结合保
证结果的准确性。STAR-CCM+针对齿轮啮合、传动等动态流体求解问题，其 OVERSET 动网格功
能具有很大的求解优势。因此，本文将以 STAR-CCM+作为求解工具，对油液飞溅润滑 FAD 组件
进行模拟，为选择合理油液并确定最佳液面高度提供数据支持。
1 模型建立 1.1 理论假设
对 FAD 组件润滑进行仿真分析，就是研究油液流动的问题。流体的流动与固体相比，是更加
复杂的一种运动方式。相应的，建模和数值模拟也会更加困难。然而，所有流体流动都遵循这样
几条基本定律：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。由三个守恒定律可以推导出三个
方程，分别为：连续性方程、动量方程（纳维-斯托克斯方程）、能量方程。由此联立可得纳维-斯托克斯方程组，即 N-S 方程组。
随着雷诺数的增加，流场中会出现一些小的漩涡，从而使时间量标增长导致的振幅变化非常
缓慢，这样对于 N-S 方程的求解将变得更加困难。在我们的流体体系中，采用雷诺平均 N-S 方程。
这是将各种扰流简化并平均近似得到的结果[2]。避免扰流情况如图 1 所示。 由于在 FAD 腔体内部齿轮转动所能带动的运动速度较低，而马赫数 Ma<0.3 时，空气密度的变
化对流体运动的影响可以忽略，因此采用不可压缩流动假设，其控制方程表达为[3]:
∂u∂t
u∂u∂x
1 ∂p∂x
1 ∂ u∂x ∂x
∂u∂x
0
其中，i, j, k 是三个坐标方向的分量，ρ为流体密度，u为流场粗度，
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图 1 近壁面扰流
偏微分方程的求解有有限元法、有限差分法以及有限体积法。STAR-CCM+采用的是有限体积
法。这种方法的特点是计算效率高，基本思路包括：用网格将流体区域化为离散的控制体积，将
待解的控制方程对每一个控制体积分，形成速度、压力、温度等未知离散变量的代数方程，然后
把离散的非线性方程组线性化，并求解，获得新的变量值[4]。 1.2 模型简化及网格划分
如图 2 为 FAD 模型的外观。其中透明部分为背景区域，大齿轮和齿轮轴分别绕轴线做旋转。
大齿轮的转速为 2500rpm，齿轮轴的转速为 9722rpm，传动比为 3.889。对于.两个部件同时旋转的
问题，STAR-CCM+ 提供相应了 Overset Mesh 这一解决方案。
图 2 FAD 模型外观
对于 Overset 网格，壁面之间不能存在有干涉，因此，为了方便计算，将对模型进行以下处理：
将齿轮和齿轮轴进行缩小，并旋转齿轮轴到合适位置，使两者的齿牙之间获得一个比较好的空隙。
相应调整见图 3。采用六面体 trim 网格和边界层网格对模型进行网格划分。STAR-CCM + 的集成化
和参数化操作可以快速高效地生成质量很好的计算网格，最终总计生成网格数约 560 万，生成体
网格后的网格模型截面，如图 4 所示。 在两个齿接触的区域，必须对背景网格进行局部加密，以保证两个齿之间最少有三层背景网
格。由于背景网格进行加密，尺寸较小，相应的，overset 域也要进行相应调整，以适应背景网格
的大小，方便切割。另外，为了使获取的油液表面更加平滑光整，在液体表面附近也进行了局部
加密。图 5 就两个齿之间的网格加密情况进行了展示。
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图 3 齿轮调整
图 4 截面网格 图 5 齿间网格
1.3 计算和求解器设置
求解模型建立后，为了得到稳定的外流场情况，选择气液两相流，并添加重力这一物理模型，
物理模型的选择如图 6 所示：
图 6 物理模型 一般情况下，根据计算模型需要设定计算步数，本例中由于网格量较大，可设定较多步，初
定为 1000，在计算中，根据收敛判据、各监测曲线及输出栏的输出数据，判定是否收敛和是否结
束计算． STAR-CCM + 软件的便捷之处在于，在求解过程的任一时刻，都可以停止保存文件，下
次求解启动时，会在之前的求解基础上继续求解，除非在求解前先清空之前的求解数据，才能进
行新的求解。
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2 计算结果分析 2.1 壁面函数 Y+分布
STAR-CCM+提供了丰富的后处理方法， 将用户关心的区域数据以各种方式显示出来，直观易
懂。图 7 给出了避免函数 Y+的结果，从图中可以看出，在准双曲面齿轮副转动过程中，壁面函数
Y+在 0-50 之间，可见近壁面的网格尺寸符合计算要求，无需进行加密或缩小尺寸。
图 7 齿轮附近壁面函数 Y+分布
2.2 速度场分布
图 8 是在计算开始之初的剖面速度标量图，从图中可以看出，大部分流场均以层流的形式出
现，且波动很小。而齿轮啮合区域及出现了较大的涡流。且齿前进方向的背后出现了较为明显的
回流、漩涡现象，这是由于两个齿啮合前进过程中所造成的影响，会出现流体滞止区，使液流速
度降低。
图 8 速度场分布标量图
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2.3 油液分布
STAR-CCM+提供了丰富的后处理方法，通过创建 Threshold 或者 Iso-surface 等临时部件进行
辅助，可以将用户关心的区域数据以油液运动的方式再现，直观易懂。图 9 为通过创建 Threshold以及 Iso-surface，并选择显示场函数为液体体积分数>0.4 时所得到的油液分布图，可以看出，油液
分布较为充分，为了减少成本，可以进行优化。
图 9 油液分布图
3 结论 在 FAD 前驱动模块中，通过 STAR-CCM+的仿真计算，再现了油液在 FAD 模块的运动情况。
选择一定参数的油液并定义适当高度，使齿轮在啮合传动过程中得到了充分的润滑。本次模拟忽
略了轴承部件的影响，在以后的计算分析中将加以进一步考察。 应用 STAR-CCM+求解工程问题是一种全新的体验。 STAR-CCM+不仅功能强大，而且特点鲜明，拥有难以置信的灵活性。CD-Adapco 公司致力于
使用 CFD 方法解决工业难题。由于每年投入大量资金用于研发，软件中的物理模型与数值算法目
前仍在不断开发与扩充，软件所能应用的领域在不断拓宽。经验表明，更多的人机交互将大大提
高工作效率，而 STAR-CCM+提供的交互式工具包非常强大。它将用户与求解之间的交互能力提高
到了一个全新的水平。伴随着数值计算的快速发展，与上一代 CFD 软件相比，现代软件工程技术
促使 STAR-CCM+更加可靠。通过独立创建不同的功能模块，各个模块间不必要的关联得以降低， 从而优化计算结果。STAR-CCM+着眼于未来 20 年内工程领域的挑战。专家们对他的概括是：
STAR-CCM+不仅是个新的解算器，也是 CFD 的全新尝试。
参考文献（五号黑体） [1] CD -adapco. STAR -CCM + Version9.04.011 USER GUID, 2014 [2] J.M.Bergada, J.Watton, S.Kumar. Pressure, Flow, Force, and Torque Between the Barrel and Port Plate in an Axial Piston
Pump [J]. Journal of Dynamic System, Measurement, and Control. 2008 [3] 田红旗. 列车空气动力学 [M]. 北京：中国铁道出版社, 2007. 26—32 [4] J.M.Bergada, J.Watton, S.Kumar. Pressure, Flow, Force, and Torque Between the Barrel and Port Plate in an Axial Piston
Pump [J]. Journal of Dynamic System, Measurement, and Control. 2008
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