基于CFD的通风制动盘散热性能研究与结构优化

摘要

随着汽车工业的高速发展以及汽车速度的不断提升，车辆的安全性能越来越受到人们关注，其中制动盘的散热问题是影响汽车安全性能特别是制动器制动效能恒定性的重要因素之一，对制动盘散热性能进行研究具有重要意义。本文课题源于国内某汽车零部件生产企业，研究不同通风道结构制动盘的散热性能问题，通过收集整理国内外相关课题的文献（第1章），阐述本文涉及的理论基础（第2章），从而开展以下研究:
　　首先，基于ANSYS平台设计数值模拟方法，选择SolidWorks对给定结构参数的制动盘进行三维建模;通过ICEM CFD对计算模型进行静止域、旋转域的设置，网格划分采用结构化网格和非结构化网格结合的形式;在FLUENT中设置材料属性、边界条件等初始化设置，计算得到制动盘空气质量流量和对流换热系数的试验结果，并与台架试验对比，发现仿真结果误差较小，验证该数值模拟方法准确（第3章）。
　　接着，基于原有制动盘ZB模型，设计圆柱径向直线分布型散热筋制动盘ZP，并参考风机叶轮设计方法，通过控制曲线的入口角度和出口角度，得到了制动盘QB和QP。通过FLUENT计算得到4种制动盘整体的空气质量流量和对流换热系数结果;通过数据抽样的方法，分析了对流换热系数在制动盘轴向和径向的分布，并借助等值图得到制动盘风道内部流场的速度分布和静压力分布情况;得出了圆柱径向分布散热筋制动盘（ZP型、QP型）在均匀散热方面优势更加明显的结论（第4章）。
　　最后，以空气质量流量和散热功率为双指标，为圆柱径向曲线分布型散热筋制动盘设计基于散热筋圆柱半径、出口角度、入口角度和散热筋数的4因素5水平正交试验，数值计算得到25组试验的指标结果;对结果进行极差分析，根据极差数值大小，分别得到4个结构参数对空气质量流量和散热功率影响的主次顺序;并基于试验数据，利用MATLAB得到指标的单因素影响拟合曲线，分析各结构参数对制动盘两个指标的单因素影响规律;采用综合平衡法对方案进行初选，并结合综合评分法设置权重将双目标优化问题转化为单目标优化问题，依据选择综合得分最大的原则，确定了最优参数方案（第5章）。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 车轮制动器与盘式制动器概述

1．1．2 汽车制动盘散热问题

1．1．3 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 主要研究方法

1．2．2 主要研究工作

1．3 论文主要内容与章节安排

2．基于计算流体动力学的数值研究方法

2．1 计算流体动力学数值方法概述

2．2 CFD流场基本控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程(N-S方程)

2．2．3 能量守恒方程

2．3 CFD模型的数值求解方法

2．4 湍流和湍流模型

2．5 流场数值算法

2．5．1 SIMPLE算法(稳态)

2．5．2 PISO算法(瞬态)

2．6 本章小结

3．制动盘散热性能数值模拟与分析

3．1 制动盘数值模拟方法确定

3．1．1 制动盘热传递形式分析

3．1．2 制动盘模型简化与性能指标

3．2 制动盘CFD数值计算流程

3．3 制动盘仿真模型设计

3．3．1 制动盘几何模型设计

3．3．2 计算域和交界面设计

3．4 模型的ICEM网格生成

3．4．1 网格生成形式设计

3．4．2 旋转域和静止域网格生成

3．5 FLUENT的求解计算

3．5．1 流体条件和湍流模型的确定

3．5．2 瞬态计算方法验证

3．5．3 稳态计算方法过程

3．6 数值计算方法的验证

3．6．1 对流换热系数与转速关系

3．6．2 空气质量流量与转速关系

3．7 本章小结

4．制动盘风遒结构设计与散热性能评定

4．1 制动盘风道结构的设计

4．2 不同制动盘对流换热系数计算结果分析

4．2．1 平均对流换热系数和平均质量流量结果分析

4．2．2 制动盘对流换热系数分布

4．3 不同制动盘内流场的速度分布与静压力分布

4．3．1 流场的速度分布

4．3．2 流场的静压力分布

4．4 不同圆柱半径制动盘散热性能分析

4．5 本章小结

5．柱状散热筋制动盘风道优化与结果分析

5．1 制动盘风道优化参数的选定

5．2 试验方案设计

5．2．1 选定优化目标

5．2．2 试验因素和水平设置

5．3 试验结果分析

5．3．1 试验结果与极差分析

5．3．2 圆柱径向分布形式对空气质量流量的影响

5．3．3 圆柱径向分布形式对散热功率的影响

5．4 基于制动盘双目标散热性能的最优参数组合确定

5．4．1 综合平衡法初选优化方案

5．4．2 综合评分法确定制动盘风道结构最优方案

5．5 双目标优化的结果分析

5．6 本章小结

6．总结与展望

6．1 论文主要工作与总结

6．2 本文的创新点

6．3 研究展望

参考文献