基于CAD-CFD的轎車(chē)液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析集成系統(tǒng)的研究.pdf

1、在現(xiàn)代轎車(chē)許多部件的功能及效率已趨于極致的今天，作為轎車(chē)最重要的部件之一的液力變矩器的設(shè)計(jì)水平仍具有很大的提升空間?，F(xiàn)代流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析(CFD)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)為液力變矩器分析和設(shè)計(jì)提供了嶄新的手段。流場(chǎng)數(shù)值分析為液力變矩器性能改進(jìn)提供驗(yàn)證手段與指導(dǎo)方向，自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)值分析成果快速修改、生成設(shè)計(jì)范例為流場(chǎng)數(shù)值分析提供幾何模型，經(jīng)過(guò)數(shù)值流場(chǎng)分析—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—性能驗(yàn)證這樣的設(shè)計(jì)、分析循環(huán)得到的最終產(chǎn)品性能的先進(jìn)

2、性在設(shè)計(jì)階段即得以保證，從而大大縮短了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)—試制—試驗(yàn)周期，顯著節(jié)省了開(kāi)發(fā)費(fèi)用。這種以CAD/CFD軟件為平臺(tái)的液力變矩器分析與設(shè)計(jì)方法體系，既是提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力的有效工具，也是液力變矩器設(shè)計(jì)計(jì)算和生產(chǎn)研制的發(fā)展方向。構(gòu)建這種CAD/CFD集成化的液力變矩器設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)關(guān)鍵在于其驗(yàn)證手段的可靠性和設(shè)計(jì)方法的先進(jìn)性。由此，通過(guò)對(duì)數(shù)值流場(chǎng)深入分析，尋求幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)分布及整體性能的影響，發(fā)展先進(jìn)設(shè)計(jì)方法并通過(guò)有效手段付

3、諸實(shí)施構(gòu)成本文的研究思路及內(nèi)容。首先，應(yīng)用有限體積法計(jì)算了液力變矩器TC229的內(nèi)流場(chǎng)，驗(yàn)證了所采用模型和計(jì)算方法的正確性和可靠性，全面、深入地分析了液力變矩器泵輪、渦輪、導(dǎo)輪的數(shù)值流場(chǎng)。泵輪流場(chǎng)的典型特征為射流-尾流現(xiàn)象以及強(qiáng)烈的二次環(huán)流現(xiàn)象。導(dǎo)輪出口內(nèi)、外環(huán)速度差異以及泵輪進(jìn)口內(nèi)、外環(huán)面不同的影響，使入口液流在內(nèi)環(huán)壁面處形成繞流及流動(dòng)分離形成尾流流動(dòng)，在外環(huán)面形成射流形式的流動(dòng)。泵輪內(nèi)、外環(huán)和葉片的形狀彎曲，流動(dòng)壓力梯度

4、誘導(dǎo)作用以及科氏力(Coriolis)綜合作用形成二次流動(dòng)現(xiàn)象，不同弦面處各因素貢獻(xiàn)不同，因而二次流動(dòng)形態(tài)也有所變化。渦輪在不同速比下由轉(zhuǎn)動(dòng)引起的離心力及科氏力和由彎曲引起的離心力是流動(dòng)狀態(tài)改變的主要因素。流道不同位置的離心力大小不同，流場(chǎng)在不同弦面具有不同的特征。在低速比下，渦輪流道進(jìn)口段內(nèi)環(huán)吸力面區(qū)域存在明顯的低壓區(qū)。這種大面積的低速低壓尾流流動(dòng)是低速比下渦輪損失的主要原因。在高速比下，流動(dòng)在整個(gè)流道都相對(duì)均勻。導(dǎo)輪流場(chǎng)

5、主要表現(xiàn)為低速比導(dǎo)輪導(dǎo)邊的流動(dòng)分離、流道內(nèi)的徑向流動(dòng)、出口尾渦和高速比均勻流動(dòng)。綜合分析各工作輪液流流動(dòng)成因，影響各葉輪流場(chǎng)特征的結(jié)構(gòu)因素主要為內(nèi)、外環(huán)面的曲率(也即循環(huán)圓形狀)，各葉輪的進(jìn)、出口葉片角以及葉片整體形狀(葉片角在進(jìn)出口之間沿設(shè)計(jì)流線的分配)。因此在液力變矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)上述各點(diǎn)給予了重點(diǎn)關(guān)注。然后，結(jié)合一維束流設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，借助知識(shí)熔接技術(shù)設(shè)計(jì)了液力變矩器循環(huán)圓，應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了液力變矩器各葉輪葉片，由此

6、構(gòu)成了基于CAD平臺(tái)的專門(mén)的液力變矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由于數(shù)值流場(chǎng)的結(jié)果并沒(méi)有指明如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，因此，如何利用流場(chǎng)分析的信息直接、有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)先進(jìn)性的關(guān)鍵。液力變矩器逆向設(shè)計(jì)方法建立了葉片面的渦量分布與葉片荷載進(jìn)而與葉片角之間的關(guān)系，應(yīng)用液力設(shè)計(jì)參數(shù)而不是純粹的幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證了壓力場(chǎng)合理分布，抑制了二次流動(dòng)現(xiàn)象，提高了液力變矩器性能。這種從液力設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)的設(shè)計(jì)思想從設(shè)計(jì)循環(huán)第一步就保證了設(shè)計(jì)

7、的先進(jìn)性。此外，組合不同的液力變矩器結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算分析，比較其性能變化規(guī)律從而得出液力變矩器性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間帶有普遍意義的相關(guān)關(guān)系，從正向優(yōu)化的思路完善液力變矩器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，指導(dǎo)最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。概括而言，本文研究開(kāi)發(fā)的集成CAD/CFD的液力變矩器設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)具有先進(jìn)的理論支撐和切實(shí)的實(shí)施手段，為液力變矩器研究與開(kāi)發(fā)提供了理想的工具與手段。關(guān)鍵詞：液力變矩器 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 有限