摩擦學問題中各種因素往往錯綜復雜，涉及多門學科，例如，流體力學、固體力學、流變學、熱物理、應用數學等等。由于摩擦學現象發生在表面層，影響因素頗多，這就使得理論分析和實驗研究都較為困難，經典三維CFD或者有限元計算難度很大。

Tribo-X應用場景

摩擦學是有關摩擦、磨損與潤滑科學的總稱，是在研究摩擦和磨損過程中兩個相對運動表面之間的相互作用。由于摩擦引起能量的轉換、磨損則導致表面損壞和材料損耗，因而潤滑是降低摩擦和減少磨損的最有效措施。

(相關資料圖)

常用摩擦潤滑系統

對于典型機械零件的潤滑設計，如滾動軸承、齒輪、凸輪結構、滑動軸承、止推軸承、活塞/氣缸等，Tribo-X計算軟件考慮摩擦學問題中的多種影響因素，能有效解決傳統CAE方法計算困難、計算速度慢的問題，精確考慮各種特性對摩擦學結構的影響，包括混合摩擦、湍流效應、微觀粗糙表面、氣穴等。Tribo-X可以計算潤滑系統的應變、摩擦和溫度等；是一個“數字放大鏡”，查看摩擦接觸的內部，更好的理解整個接觸過程。

Tribo-X完成典型問題的計算通常只需要幾分鐘。能夠充分考慮以下因素：

1、流體動壓

各種流體潤滑問題都涉及在狹小間隙中的流體黏性流動，描寫這種物理現象的基本方程為雷諾方程。各種流體的潤滑計算是基于對雷諾方程的應用和求解。Tribo-X求解器基于雷諾方程，進行對摩擦潤滑系統的計算。相比于經典三維CFD所使用的Navier-Stokes方程，計算速度快，計算時間大幅降低，并且計算結果基本一致。

二維雷諾方程的應用

三維NS方程(CFD)與二維雷諾方程（Tribo-X）計算結果對比

2、彈性流體動壓

經典油膜動力學計算理論將摩擦副視為剛性體，使得計算得到的承載能力比實際承載能力偏低。對于點、線接觸，Tribo-X可以使用半彈性空間模型；對于滑動軸承接觸方式，Tribo-X使用有限元軟件提取出的柔度矩陣，在考慮線彈性材料行為的基礎上，計算彈性變形對油膜壓力及油膜間隙等計算結果的影響。

3、熱彈流體動壓

一般流體潤滑計算是按等黏度進行，也就是說忽略潤滑膜溫度場的影響，然而，除了極輕的載荷和極低的速度之外，潤滑膜溫度分布也將是影響潤滑性能的重要因素。為了求得潤滑膜中的溫度分布，Tribo-X求解能量方程完成計算。

能量方程

4、潤滑油特性

潤滑油的密度、動力黏度、導熱系數和比熱容是壓力和溫度的函數。在一些條件下，必須考慮潤滑油隨壓力和溫度性能的變化，進行潤滑分析。

一般的，潤滑油可視為牛頓流體。針對非牛頓流體，Tribo-X也有專門的計算模型，常用的本構模型有Ree-Eyring本構模型，剪應力與剪應變率為非線性關系。

流體模型本構曲線

5、壁滑移

當達到極限剪切應力時，潤滑間隙發生壁滑移。Tribo-X可以進行出現壁滑移后，不同的剪切速率下不同的摩擦行為分析。

發生和未發生壁滑移的剪切速率

6、混合摩擦

混合摩擦是邊界潤滑和動壓潤滑的組合，它們的形成機理、潤滑特性各不相同。除了極其光滑的表面之外，混合摩擦是普遍存在的狀態。Tribo-X可以通過定義固體表面粗糙度來進行混合摩擦分析。

不同摩擦狀態

7、微觀流體動力學

對于較小的潤滑間隙，宏觀流體動力學還受到粗糙度的微觀流體動力學影響，油膜壓力受到粗糙度、液體流動方向和流量的影響。Tribo-X通過定義表面粗糙度或者流動剪切應力系數，完成微觀摩擦分析。

摩擦副的粗糙表面

8、氣穴

氣體以兩種形式存在在潤滑油內，一是溶解在液體中，二是以氣泡的形式混合在液體中。當壓力低于某一值時，液體中的空氣就會分離出來，產生氣穴。Tribo-X基于質量守恒算法，在二維雷諾方程中引入入充油率，在后處理中提供充油率結果，可以識別氣穴區域。

典型機械零件出現氣穴現象

9、層流及湍流

如果在使用低粘度潤滑液（如水）和高轉速情況下，有必要考慮湍流效應。考慮湍流通常會提升油膜摩擦力，從而獲得更好的軸承承載能力。Tribo-X提供專門的湍流模型來考慮湍流效應。

潤滑油運動狀態

10、磨損因素

基于Fleisher提出的能量磨損理論。通過輸入材料磨損的能量密度，即磨損單位體積所消耗的功，Tribo-X可以計算運動過程中材料出現磨損后，間隙寬度出現變化的摩擦學行為。

11、應力分析

對于點、線接觸，包括齒輪接觸、凸輪接觸等，Tribo-X可以進行應力分析計算。Tribo-X可以定義摩擦副表面的多層涂層，計算x、y、z方向的應力分量及等效應力分布。

考慮摩擦表面的多層涂層

應力分布分析（滾動接觸示例）

12、穩態和瞬態分析

Tribo-X可以進行穩態分析，也可以計算隨時間變化載荷作用下的機械零件響應，比如循環載荷作用下的瞬態軸承分析及非循環載荷作用下的瞬態軸承分析、齒輪或凸輪運動分析。

不同運動時間點下壓力分布（圓柱齒輪示例）

Tribo-X軟件模塊組成

1、滾動接觸模塊

可以計算任意一種點、線接觸方式，如下圖所示。定義接觸體的任意幾何形狀，如理想球體、圓柱體或橢圓幾何形狀。

不同滾動接觸方式

齒輪嚙合是相當復雜的運動過程，其接觸幾何、表面速度和載荷都隨著時間變化，因而油膜厚度也是變化的。圓柱齒輪和錐齒輪作為滾動接觸的附加模塊，可以模擬計算斜齒輪副、直齒輪副，或者準雙曲面齒輪副、直尺錐齒輪、螺旋錐齒輪副。獲得齒輪運動狀態中重要的參數。

圓柱齒輪幾何模型

凸輪及其從動件是以滑動為主的點線接觸摩擦副，同時，凸輪表面的接觸應力很高，普遍認為凸輪及其從動件之間為混合潤滑狀態，形成彈流潤滑，并把油膜厚度作為判斷凸輪磨損性能的標準，以及設計凸輪輪廓線的依據。凸輪模塊同樣作為滾動接觸的附加模塊，進行凸輪運動狀態下的模擬計算。

凸輪接觸方式

2、滑動軸承模塊

在流動動壓潤滑的機械零件中最常見的是徑向滑動軸承。滑動軸承模塊通過定義滑動軸承幾何形狀、潤滑油屬性以及供油處幾何尺寸、供油壓力、軸的旋轉速度等，完成如油膜壓力、油膜厚度、軸承剪力、軸心位置、輸入流量等的計算。獲得滑動軸承穩態或運動狀態的重要參數。

圖 滑動軸承幾何模型

3、止推軸承模塊

流體動壓潤滑的止推軸承主要應用于重型機械設備，例如水輪機、立式風扇、泵等等。止推軸承的承載能力受到速度影響很大，為了形成充分的動壓潤滑，通常要求平均滑動速度較大，但是速度受到摩擦功率損失以及因發熱而產生的最大溫度的限制。由于工作中的彈性變形造成的間隙變化也會影響油膜厚度。這些都是設計止推軸承的重要影響因素。止推軸承模塊進行潤滑間隙的模擬計算，獲得止推軸承穩態或者運動狀態的重要參數。

止推軸承幾何模型

4、活塞/氣缸模塊

活塞是發動機汽缸體中作往復運動的機械零件，主要作用是承受氣缸中的燃燒壓力。活塞/氣缸模塊將活塞的運動定義為旋轉和滑動相結合，進行潤滑間隙的模擬計算，獲得活塞在氣缸內運動狀態的重要參數。

活塞/氣缸幾何模型

可以輸出2D及3D圖形分析結果。并且結果文件中可以獲得每個節點的計算結果。

部分可輸出結果

1、3D圖表

可以展示流體動力壓力、邊界接觸壓力、彈性變形、充油率、剪應力以及溫度等計算分析結果。生成圖片或視頻。

壓力分布（滑動軸承示例）

油膜間隙溫度分布（滑動軸承示例）

充油率分布（滑動軸承示例）

2、2D圖表

圖–軸心平衡位置及最大壓力分布（滑動軸承示例）

圖–最大壓力分布和最大溫度分布（無涂層和DLC涂層齒輪示例）

Tribo-X inside ANSYS將Tribo-X滑動軸承求解器集成到ANSYS Workbench環境中，二者優勢互補。其中ANSYS Workbench提供強大的前處理建模、后處理結果查看能力，Tribo-X inside ansys提供全面、快速、精確的滑動軸承計算能力，同時Tribo-X inside ansys可以與ANSYS優化模塊集成進行滑動軸承參數優化，與ANSYS結構動力學模塊結合，無縫傳遞軸承參數進行轉子動力學分析。

操作界面

1、CAD集成

可以基于CAD模型直接定義滑動軸承幾何形狀，自動識別軸承與軸之間的間隙為潤滑區域，完成軸承幾何建模，并且可以定義軸的初始位置。

2、ANSYS靜力學模塊集成

傳遞通過ANSYS靜力學模塊提取的柔度矩陣，滑動軸承彈性變形信息（取決于軸承的設計、材料和軸承的支撐以及工作條件），在此條件下進行滑動軸承彈流潤滑分析。

3、ANSYS 動力學模塊集成

無縫傳遞軸承參數進行轉子動力學分析。

轉子系統瞬態動力學分析

4、OptiSLang優化模塊集成

實現軸承參數敏感性與優化分析，通過輸入幾何、材料、潤滑油、運動條件等參數，輸出軸心位置、油膜厚度、彈性變形、充油率等目標參數。

5、后處理

Tribo-X inside ANSYS以云圖和表格的方式輸出結果。

充油率（左）流水動壓（右）–示例

解決了傳統CAE方法難以計算油膜的困難，Tribo-X可以幫助我們在設計摩擦潤滑系統過程中解答以下問題：

1、是否有足夠的承載能力？

2、運動過程中是否出現混合摩擦嗎？會產生多少摩擦損失？

3、溫度是否達到預期？潤滑油是否超過極限溫度？

4、摩擦副表面光潔度對整個系統產生什么影響？

5、應該使用哪種潤滑劑？采用何種潤滑輸入方式？

6、……