彈性流體動力潤滑（elastohydrodynamic lubrication，簡稱“彈流潤滑”）研究充分反映了 21 世紀工程仿真問題的復雜性。彈流潤滑描述兩個嚙合面（如軸承和齒輪）的變形與使其分離的流體動力學之間的耦合效應。如果在研究中引入熱效應，就演變為熱彈性流體動力潤滑（下文簡稱“熱彈流潤滑”）問題。潤滑油膜厚度通常為微米級或更小尺度，但足以保障其良好的低摩擦磨損特性。深入了解熱彈流潤滑機制，有助于改進傳動系統的功率密度、效率以及噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）性能。

在機械零件潤滑接觸的設計過程中，非常關鍵的一點是將潤滑油本身也當作機械零件來處理。借助熱彈流潤滑仿真，研究人員能夠全面分析潤滑接觸，減少制造物理原型的數量。實踐證明，使用多物理場建模和計算機仿真來分析熱彈流潤滑接觸，正是解決此類問題最有效的途徑（圖 1）。

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

應對微米級測量難題

由于潤滑油膜和固體變形都是微米級尺度，如果通過在接觸區域放置傳感器來進一步了解熱彈流潤滑性能將極為困難。“兩齒側面間的潤滑油膜厚度在一微米以內，約為頭發直徑的十分之一。接觸壓力一般高達 2GPa，幾乎相當于一塊指甲大小的地面承受 30 輛乘用車時受到的壓強。”Thomas Lohner 解釋道，他在德國慕尼黑工業大學（TUM）的齒輪研究中心（FZG）擔任彈流潤滑摩擦接觸和效率研究部門主管。

借助數值仿真，工程師們能夠設計各式熱彈流潤滑接觸方案，最終實現齒面與潤滑油的合理搭配。仿真分析的難點在于熱彈流潤滑是一個多物理場耦合問題。潤滑油是一種流體，因此模型需要引入計算流體動力學（CFD），其中主要求解修正雷諾方程（納維-斯托克斯方程的簡化形式）。粘度等潤滑油性能在很大程度上取決于壓力和溫度變化。此外，潤滑油的流動特性在高剪切速率下會變為非線性流動。潤滑薄膜內的剪切和壓縮作用會產生接觸熱，熱量通過對流和傳導進行傳遞。溫度變化會影響潤滑油性能，從而影響流體動力學表現，最終產生彈性變形，變形行為又反過來影響熱量的產生。每個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，其中包括耦合結構力學分析揭示的齒面彈性變形。

從紙上設計到仿真模型，再到仿真 App

Lohner 和團隊成員參考黎巴嫩美國大學（Lebanese American University）的 Wassim Habchi 教授發表的求解方法[1]構建了一個仿真 App。然而，“紙上得來終覺淺”，發表的數據并不代表實際的求解結果。“我們在 COMSOL Multiphysics 軟件中使用了這個求解方法，在整個分析過程中，軟件給我們帶來了極大的便利。” Lohner 解釋道，“我們不僅能夠根據實際情況靈活地修正雷諾方程，還能耦合其他物理場，從而成功創建了熱彈流潤滑數學模型。各種方程的自由組合與多物理場耦合是 COMSOL 軟件的核心優勢。”

軟件的主要優勢體現在支持用戶選擇不同的物理場、添加自定義方程，并使用強大的全耦合功能得到精確的求解結果[2]。在整個工作流程中，用戶無需了解具體的數值求解的技術細節，從而將精力集中在建模上。“我們研究中心主要研究機械零件，尤其是齒輪的設計和優化。”Lohner 解釋說，“COMSOL 內置的各種接口和多物理場方法使我們能夠專注研究工程問題，而不必糾結于求解的數值算法。除此之外，軟件的持續開發和更新也讓我們不斷從中受益。”在計算壓力和膜厚時，研究人員使用“弱形式邊界偏微分方程”接口來輸入廣義雷諾方程[1]，并主要依靠軟件提供的預定義接口來計算溫度[2]。

Lohner 和他的團隊借助軟件中的“App開發器”工具創建了一款名為“Tribo Mesh”的仿真 App（圖 2），并在整個研究中心與同事分享他們的仿真工具。其他同事能夠通過仿真 App 尋求更多新的解決方案，極大地提高了團隊的整體工作效率。

圖 2. 定制的仿真 App，將復雜的熱彈流潤滑多物理場耦合求解結果封裝到一個簡單易用的工具中，可供研究中心的所有人員訪問使用。

團隊將仿真 App 部署到了本地工作站，并授予一部分同事訪問權限。在不久的將來，他們還計劃利用 COMSOL Server? 產品將仿真 App 分享給更多同事和項目合作伙伴，用戶通過網頁瀏覽器即可運行這些仿真 App。

這個仿真 App 的用途之一是分析類金剛石碳（diamond-likecarbon，簡稱DLC）涂層可以在多大程度上提升齒輪的效率性能。“我們的試驗臺實驗表明，與無涂層齒輪相比，DLC 涂層大大降低了齒輪的摩擦系數。”Lohner 解釋說。其原因何在？齒輪表面的涂層如何能夠影響潤滑油的性能？團隊將所有實驗數據輸入仿真 App 進行分析，結果表明，DLC 涂層能將熱量保留在熱彈流潤滑接觸中，以此降低潤滑油的粘度，進而減少摩擦（圖 3）[3]。“DLC 涂層確實具有隔熱效果，如果沒有仿真，我們就無法驗證這一假設的正確性。現在，我們對系統中的熱流和潤滑油性能都有了深刻的理解。”Lohner 表示。

圖 3. 熱彈流潤滑仿真結果：無涂層（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，步步為“贏”

Lohner 及其團隊根據自身經驗分享了多物理場建模和仿真 App 的使用心得：“直接構建極其復雜的系統，并試圖一次性解決所有問題，這幾乎是不可能的。首先，我們必須最大程度地簡化問題。”在此案例中，團隊以修正雷諾方程作為切入點，將其與簡單的彈性方程耦合求解，在這一階段忽略了熱效應。“隨后，我們一步步加入更復雜的物理效應。令人欣喜的是，無論問題多么復雜，你都可以在 COMSOL 中進行模擬，并根據具體需求，輕松得到準確的求解結果。”他還特別強調，軟件的強大功能并不意味著可以直接求解整個復雜物理問題。“面對復雜問題時，需要按步驟、有條不紊地逐一解決。在進入下一步之前，必須確保每一步都經過驗證。”

參考文獻

1. W. Habchi, A full-system finite element approach to elastohydrodynamic lubrication problems: application to ultra-low-viscosity fluids [Dissertation], Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Lyon, France, 2008.
2. Thomas Lohner, Andreas Ziegltrum, Johann-Paul Stemplinger, and Karsten Stahl, Engineering software solution for thermal elastohydrodynamic lubrication using multiphysics software, Advances in Tribology, Volume 2016 (2016), Article ID 6507203.
3. Andreas Ziegltrum, Thomas Lohner, Karsten Stahl, TEHL simulation on the influence of lubricants on the frictional losses of DLC coated gears, lubricants, Volume 6 (2018), doi:10.3390/lubricants6010017.

來源：COMSOL