01---机械设计中多学科行为的耦合作用仿真方法---戴旭东,谢友柏.pdfVIP

机械设计中多学科行为的耦合作用仿真方法1 戴旭 ， 友柏 东 谢 （上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200030） 摘 要：在同时具有多种物理行为的复杂机械产品中，普遍存在着多种学科行为之间的耦合作用。本文分析了机械产品中普 遍存在的不同学科行为之间的耦合作用方式，提出了一种用于描述不同学科行为之间耦合关系的 “耦合式”概念， 并在此基础上建立了一种机械产品多种学科行为耦合作用的分析方法——基于耦合式的多学科行为顺序耦合分析 法。最后，以内燃机中的系统动力学行为与曲轴主轴承的摩擦学行为的耦合作用分析为例验证了该耦合分析方法。 关键词：机械设计；多学科行为；耦合作用 中图分类号：TH122 0 前言 机械产品中，尤其是在同时具有多种物理行为的复杂机械产品中，同时存在着多种学科行为。这些不 同学科行为之间普遍存在着或强或弱的耦合作用。产品使用中，多种学科行为之间的耦合作用往往影响着 产品的整机性能。如果不能深刻洞察产品中不同学科行为之间的耦合作用并从系统的角度来分析其整机的 性能，那么即使产品中每个学科行为设计都很好也不能保证整机的工作性能良好，有时甚至无法工作或在 运行中造成重大的事故。在产品的现代设计研究中，多学科行为的耦合分析与优化得到了越来越多的应用 [1,2] 。多种学科行为之间的耦合作用分析已成为复杂机械产品设计中非常关键的一项工作[3~7] 。 制约复杂产品 （如内燃机、飞机、汽车等）设计开发能力提升的一个主要方面是产品的总体集成设计 技术。要提高复杂产品的总体集成设计水平，就需要研究这些复杂产品中的不同物理行为之间的耦合作用 机理及其对整机性能的影响。只有在此基础上，才能够在总体集成设计中科学地控制复杂产品中多种物理 行为及它们之间的耦合作用对整机性能的影响。 1 机械产品中多学科行为耦合分析方法 1.1 耦合分析 耦合分析是一种系统的分析方法[8] 。一个复杂的部件或一个复杂的产品都可以称作一个系统。多种学 科行为的耦合是指一个系统中的不同学科行为 （或称物理行为）之间的相互作用。多种学科行为的耦合分 析是指考虑了两个或两个以上的学科行为之间相互作用的系统分析。比如在内燃机中的动力学行为和摩擦 学行为的耦合分析就是要同时考虑动力学行为、摩擦学行为及它们之间的相互作用的分析。 通常二种学科行为之间的耦合作用可以分为如下三种情况: 1 两种学科行为之间的影响很弱或没有， 这时我们称二种学科行为相对独立。如汽车中的电学行为和空气动力学行为之间基本上不存在相互的影响 作用。2 两种学科行为中，一种学科行为对另一种学科行为的影响较强，而反过来另一种学科行为对这种 学科行为的影响很弱，以至我们常常忽略掉它的影响，这时我们称二种学科行为单向耦合。如内燃机中零 部件的传热学行为对结构动力学行为有较强的影响，反过来结构动力学行为对零部件的温度分布影响很 弱。3 两种学科行为之间存在强的相互作用，这时我们称二种学科行为具有强耦合作用。如内燃机系统动 力学行为和摩擦副的摩擦学行为之间便存在强耦合作用、飞机机翼的结构振动和空气动力学行为间存在着 强的耦合作用。第一种和第二种情况可以看作是二种学科行为耦合的特殊情况。两种学科行为之间的影响 很弱或没有时，可以将不同学科行为分别单独分析。两种学科行为中，一种学科行为对另一种学科行为的 影响较强，而反过来另一种学科行为对这种学科行为的影响很弱时，我们称之为单向耦合作用，单向耦合 分析是耦合分析的一种特例，是只考虑了单向作用的分析。 基金项目：中国博士后科学基金项目 （2004035472 ） 教育部重点科学技术研究项目 （105065） 1 机械产品中不同物理行为之间的耦合作用方式常常表现为两种形式：域耦合和边界耦合。所谓域耦合， 就是在整个或部分分析域内多物理场共存，各场之间没有边界，如内燃机燃烧室中的热/流耦合、活塞的热 /结构耦