CN110826278B - 基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，该方法建立了硅油风扇离合器的三维结构模型并进行简化；根据液粘传动理论，运用理论知识计算硅油风扇离合器工作时的生热率和壳体散热率，并对硅油热源进行重构；利用网格划分软件划分网格，将计算得到的物理参数输入；再通过流体力学软件对硅油风扇离合器模型进行仿真，并对计算结果进行后处理，以进一步分析硅油风扇离合器的散热性能。该方法能够准确的分析硅油风扇离合器在不同工况下的散热性能和硅油的温度情况，从而节约了实验所需要的大量时间，并解决了实验测量温度不准确等问题。为硅油风扇离合器的结构改进提供了理论依据。本发明涉及汽车零部件计算机辅助工程技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及汽车零部件计算机辅助工程技术领域，特别涉及基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法。
背景技术
作为汽车冷却系统中重要的动力传递元件，硅油风扇离合器在发动机冷却性能中扮演重要的角色。硅油风扇离合器作为液压传动件，散热过程是一个流固耦合系统。工作过程中由于主动盘、从动盘滑差剪切硅油导致硅油温度升高，硅油的粘度随着温度升高而呈现线性减小，使得硅油风扇离合器传递扭矩的能力降低，从而导致整个风扇冷却系统工作效率降低。
目前，对硅油离合器散热方面的研究非常少，国内主要采用测温仪器对硅油风扇离合器表面温度进行提取，这种方式存在一定的缺点：1、硅油风扇离合器工作时转速过快，无法测量离合器内部硅油的工作温度。2、为保证测量结果的准确性，通常需要反复试验，这种方式浪费了大量的工作成本。因此硅油风扇离合器工作时的温度和内部硅油温度分布可以通过有限元仿真计算完成，把不方便提取的数据转换成可视化的图像和能够处理的数据。
硅油风扇离合器的散热可以用有限元方法进行仿真，但是硅油风扇离合器内部结构复杂，仿真模型的建立，相关参数的导入等因素均会对结果产生很大的影响，而目前相关研究建立的计算模型比较简单，未考虑硅油风扇离合器内部的主动盘、剪切槽等结构，计算结果并不准确。因此需要对仿真和计算方法进行研究和改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，该方法能准确分析硅油风扇离合器在不同工况下的散热性能。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，包括如下步骤：
通过三维建模软件建立包括主动盘、从动盘以及离合器壳体的硅油风扇离合器三维模型；
将连续的硅油槽分解为若干个不同剪切半径的圆柱剪切槽和圆环剪切槽，并在三维模型中将相邻的两个圆环剪切槽和两个圆柱剪切槽合并为一个剪切槽；
建立单个剪切槽内的硅油生热方程：Q1＝Kπ(Ma+Mc)(Δn)/30，其中Q1为生热率，Ma为圆环剪切槽传递扭矩，Mc为圆柱剪切槽传递扭矩，Δn为主动盘与从动盘转速差，K为生热系数；根据硅油生热方程计算每个剪切槽的生热率；
建立硅油风扇离合器壳体散热方程：Q2＝(h1+h2)(To-Ta)(ηA1+A2)，其中Q2为散热率，h1为对流换热系数，h2为辐射换热系数，To为离合器壳体表面的温度，Ta为工作环境温度，ηA1为离合器壳体肋片的有效表面积，A2为壳体表面的面积；根据散热方程计算硅油风扇离合器壳体的散热率；
利用网格划分软件划分硅油风扇离合器的网格，并生成流体力学软件能够识别的网格输入文件，将网格输入文件输入流体力学软件；
将每个剪切槽的生热率，硅油风扇离合器壳体的散热率以及外界的环境温度作为边界条件，利用流体力学软件进行计算；
改变仿真计算的输入参数，得到硅油风扇离合器的散热性能曲线。
作为优选的技术方案，硅油风扇离合器壳体散热包括辐射散热和对流散热。
作为优选的技术方案，利用对流散热公式计算辐射散热的散热率。
作为优选的技术方案，将硅油风扇离合器壳体的表面肋片等效为直肋片。
作为优选的技术方案，划分有限元网格时，在硅油风扇离合器尺寸较小的区域加大网格单元密度，在尺寸较大区域减小网格单元密度，整体网格单元密度从小到大呈线性变化。
作为优选的技术方案，所述流体力学软件为FLUENT软件、STAR CCM软件、Nastran软件或ANASYS软件。
作为优选的技术方案，利用FLUENT软件求解时，将网格文件输入FLUENT软件的稳态求解器。在FLUENT软件的稳态求解器中使用能量守恒方程，设定硅油和硅油风扇离合器壳体的物理参数，定义流体与固体的交界面为耦合交界面，采用稳态求解器进行残差计算。
作为优选的技术方案，仿真计算的输入参数为硅油风扇离合器的转速或壳体的导热系数。
作为优选的技术方案，硅油风扇离合器的散热性能曲线为硅油风扇离合器壳体、主动盘、硅油温度随转速或导热系数变化的曲线。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明在建立及简化模型的过程中，采用重构的方法将连续的两个圆环剪切槽和圆柱剪切槽合并为一个剪切槽，有效避免了因为原结构硅油槽尺寸过小带来的网格数量大并且质量不高的问题。
2.本发明在计算过程中考虑到了不同剪切槽内硅油生热率不同，对不同剪切槽内的硅油分别计算生热率，保证了输入参数和计算结果的准确性。
3.本发明充分考虑了硅油风扇离合器的生热机理，建立的方程能够准确计算出硅油风扇离合器的生热率，使得仿真结果具有更高的准确性，为硅油风扇离合器的设计以及优化提供了参考依据。
4.本发明能够分析不同材料导热率对硅油风扇离合器散热性能的影响，在实际工程中可以结合材料导热性能，质量和成本等多方面因素进行选择，具有一定的工程意义。
附图说明
图1是本发明实施例中基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法的流程图；
图2是本发明实施例中硅油风扇离合器的结构示意图；
图3是本发明实施例中剪切槽结构示意图；
图4(a)是本发明实施例中圆柱剪切槽传递扭矩示意图；
图4(b)是本发明实施例中圆环剪切槽传递扭矩示意图；
图5是本发明实施例中有限元网格模型图；
图6是本发明实施例中硅油风扇离合器壳体平均温度随转速变化曲线图；
图7是本发明实施例中硅油风扇离合器壳体平均温度随导热率变化曲线图；
图8是本发明实施例中主动盘平均温度随转速变化曲线图；
图9是本发明实施例中硅油平均温度随转速变化曲线图。
其中：1：主动盘，2：弹簧片，3：从动盘，4：储油腔挡板，5：线圈，6：主动轴，7：轴承，8：圆柱剪切槽，9：圆环剪切槽，10：主动盘槽挡板，11-17：硅油体网格模块，18：空气体网格模块，19：主动盘体网格模块，20：壳体以及从动盘体网格模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，包括如下步骤：
(1)建立硅油风扇离合器的三维模型并进行结构简化：
通过三维建模软件建立硅油风扇离合器的三维模型，并在模型的基础上进行简化，由于本发明只分析离合器壳体、主动盘、从动盘以及硅油的温度特性，因此建模时将图2中主动轴6、轴承7、储油腔挡板4，线圈5，弹簧片2等与扭矩传递无关的部件去掉，仅留下主动盘1、从动盘3以及离合器壳体。
(2)分解连续的硅油槽并进行重构：
由于连续的剪切槽整体分析时较为复杂，因此需要将连续的硅油槽进行分解，得到如图3所示的若干个不同剪切半径的圆柱剪切槽8和圆环剪切槽9。如图4(a)所示，圆柱剪切槽8的扭矩计算时可看做是两个圆筒筒壁之间传递扭矩。如图4(b)所示，圆环剪切槽9的扭矩计算时可看做是两个圆盘之间传递扭矩。
每相邻两个圆柱剪切槽8和相邻两个圆环剪切槽9为一组，在建模的时候将每一组的主动盘槽挡板10简化掉，使每一组内圆柱剪切槽8和圆环剪槽9合并为一个剪切槽。因为在硅油风扇离合器中，主动盘槽挡板通常都很薄，大约为0.1mm-0.2mm，并且金属的导热性比较强，所以在本发明中可以对其进行简化，且经过实验平台测试，这种简化方式误差非常小，温度仿真计算和实验对比误差在2％以内。
(3)建立剪切槽中的硅油生热方程：
硅油风扇离合器开始工作时，依靠硅油的高粘度达到传递大转矩的效果，但是高粘度和高转速使得剪切槽内的硅油产生了大量剪切热。单个剪切槽的硅油生热方程为：
Q1＝Kπ(Ma+Mc)(Δn)/30
其中Q1为生热率，Ma为圆环剪切槽传递扭矩，Mc是圆柱剪切槽传递扭矩，Δn是主动盘与从动盘转速差,Δn＝0.05×n1，n1是输入转速，K是生热系数，由实验测量得到，本实施例中为0.9。
(4)建立硅油风扇离合器壳体散热方程：
硅油风扇离合器壳体散热主要依靠对流散热和辐射散热两种方式，由于辐射散热本质也和温度差以及传热面积成比例，并且辐射传热量相比于对流传热量较少，所以也可以将辐射传热写成对流传热公式的形式。牛顿对流传热公式为：
Q＝hΔTA
其中Q为对流传热散热率，h是传热系数，ΔT为温差，A为传热面积。
因此叠加对流散热和辐射散热，可知硅油风扇离合器散热方程为：
Q2＝(h1+h2)(To-Ta)(ηA1+A2)
式中Q2为散热率，h1为对流换热系数，h2为辐射换热系数，To为离合器壳体表面的温度，Ta为工作环境温度。ηA1为离合器壳体肋片的有效表面积,可将离合器肋片等效为直肋片处理，此时肋效率η取0.93。A2为壳体表面的面积，可将离合器壳体表面积看做圆盘处理。
(5)划分有限元网格：
将简化后的三维模型导入到Hypermesh软件中划分网格：提取模型的表面，硅油风扇离合器的整体结构是轴对称的，所以在划分面网格时将原模型切割为1/6，并对1/6模型进行网格划分。由于离合器结构复杂，所以采用三角形的网格单元来划分面网格。基于模型中最小的结构尺寸确定网格尺寸，对剪切槽和肋片部分选用较小的网格尺寸并进行加密处理。对划分好的1/6模型网格进行复制-旋转操作，得到完整的面网格模型。以包拢封闭的面网格为对象，自动生成体网格，并将生成好的体网格划分模块，如图5所示，模块11-17为硅油体网格模块，模块18为空气体网格模块，模块19为主动盘体网格模块，模块20为壳体以及从动盘体网格模块。划分好以后生成Fluent软件的稳态求解器能够识别的网格输入文件，将输入文件提交至Fluent软件的稳态求解器。
(6)设定边界条件并计算：
在稳态求解器中使用能量守恒方程，设定硅油的物理参数，包括导热率，密度，粘度，比热容，以及不同剪切槽的硅油生热率(其值由步骤3计算得到)。设定硅油离合器壳体的物理参数，包括密度，比热容，导热率，以及散热率(其值由步骤4计算得到)。定义流体与固体的接触面为耦合面，并将外界环境温度设定为定值。采用稳态求解器进行残差计算，直至计算收敛后得到计算结果，将计算结果保存。
(7)硅油风扇离合器散热性能分析：
在一次计算完成后，改变离合器转速，重新进行迭代计算，取若干不同转速为一轮迭代计算。提取所有结果，将离合器壳体上若干点处温度求平均值，并绘制出如图6所示的硅油风扇离合器壳体平均温度随转速变化的曲线。选定某一转速，改变离合器壳体的导热系数，重新进行迭代计算，并保存计算结果。提取所有结果，得到图7所示的硅油风扇离合器壳体平均温度随壳体材料导热率变化的曲线。
同样的方法可以获得如图8所示的，主动盘平均温度随转速变化的曲线，和如图9所示的，硅油平均温度随转速变化的曲线。根据这些曲线即可分析硅油风扇离合器的散热性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过三维建模软件建立包括主动盘、从动盘以及离合器壳体的硅油风扇离合器三维模型；
将连续的硅油槽分解为若干个不同剪切半径的圆柱剪切槽和圆环剪切槽，并在三维模型中将相邻的两个圆环剪切槽和两个圆柱剪切槽合并为一个剪切槽；
建立单个剪切槽内的硅油生热方程：Q1＝Kπ(Ma+Mc)(△n)/30，其中Q1为生热率，Ma为圆环剪切槽传递扭矩，Mc为圆柱剪切槽传递扭矩，△n为主动盘与从动盘转速差，K为生热系数；根据硅油生热方程计算每个剪切槽的生热率；
建立硅油风扇离合器壳体散热方程：Q2＝(h1+h2)(To-Ta)(hA1+A2)，其中Q2为散热率，其中h1为对流换热系数，h2为辐射换热系数，To为离合器壳体表面的温度，Ta为工作环境温度，hA1为离合器壳体肋片的有效表面积，A2为壳体表面的面积；根据散热方程计算硅油风扇离合器壳体的散热率；
利用网格划分软件划分硅油风扇离合器的网格，并生成流体力学软件能够识别的网格输入文件，将网格输入文件输入流体力学软件；
将每个剪切槽的生热率，硅油风扇离合器壳体的散热率以及外界的环境温度作为边界条件，利用流体力学软件进行计算；
改变硅油风扇离合器的转速或壳体的导热系数，得到硅油风扇离合器的散热性能曲线。
2.根据权利要求1所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，硅油风扇离合器壳体散热包括辐射散热和对流散热。
3.根据权利要求2所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，利用对流散热公式计算辐射散热的散热率。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，将硅油风扇离合器壳体的表面肋片等效为直肋片。
5.根据权利要求1所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，划分有限元网格时，在硅油风扇离合器尺寸较小的区域加大网格单元密度，在尺寸较大区域减小网格单元密度，整体网格单元密度从小到大呈线性变化。
6.根据权利要求1所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，所述流体力学软件为FLUENT软件、STAR CCM软件、Nastran软件或ANASYS软件。
7.根据权利要求6所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，利用FLUENT软件求解时，将网格文件输入FLUENT软件的稳态求解器。
8.根据权利要求7所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，在FLUENT软件的稳态求解器中使用能量守恒方程，设定硅油和硅油风扇离合器壳体的物理参数，定义流体与固体的交界面为耦合交界面，采用稳态求解器进行残差计算。
9.根据权利要求1所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，硅油风扇离合器的散热性能曲线为硅油风扇离合器壳体、主动盘、硅油温度随转速或导热系数变化的曲线。
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| "硅油风扇离合器热特性有限元计算分析";李林等;《内燃机》;20141231(第6期);第5-8页 * |
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