基于CFD的汽车制动盘散热性数值计算与优化

论文摘要

汽车制动器作为汽车中的重要部件，其制动性能直接关系到汽车安全性。在汽车设计过程中，制动器的散热问题十分重要。由汽车散热性能不良所引起的安全问题引起人们的广泛关注。对汽车制动器散热性进行深入分析，研究制动器温度场分布情况并找出影响因素，从而提高汽车抗热衰退性能，这对提高汽车主动安全性，具有重要的工程意义。对制动器散热性的研究多以试验研究为主。这是因为试验结果一般可靠性好、准确性高。伴随着计算机技术的进步，数值计算法取得了迅猛的发展。特别值得一提的是，建立在经典流体动力学和数值计算方法基础之上的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）作为一门新型独立学科，在制动器散热性研究中得到了广泛的应用。本文正是基于CFD技术，对汽车制动盘散热性进行分析：首先，利用计算流体动力学方法，对单独通风式制动盘盘体进行散热性数值计算，重点分析气流在制动盘周围及内部的流动状态，获得气流速度场分布情况，进而分析制动盘对流换热系数及温度场分布规律，并对长下坡恒速制动工况下制动盘散热过程进行了初探。接着，考虑整车模型，对制动盘的散热进行数值计算，分析轮腔的速度场、温度场，并对前后制动盘散热性进行分析。辐板是车轮上的重要部件，其设计也直接关系到制动盘的散热情况。本文重点研究了辐板式样、辐板开孔数量和开孔面积对制动盘散热性能的影响。最后，确定制动盘盘体优化方案，即通过添加附加肋片的方式来提高其对流换热系数，改善制动盘的散热性。为了获得最佳的散热效果，采用代理模型方法来实现附加肋片形状和位置的最优化。首先确定设计变量、目标函数及约束函数，接着进行试验设计，确定样本点，然后采用近似模型对上述样本点进行拟合，最后采用优化算法求出最优解。结果表明，优化后制动盘冷却率最大能提高7.86%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.1.1 汽车制动器分类
• 1.1.2 汽车制动器热衰退
• 1.1.3 汽车制动器散热性研究意义
• 1.2 制动器散热性研究现状
• 1.2.1 研究方法介绍
• 1.2.2 研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 计算流体动力学基本理论
• 2.1 CFD 基本控制方程组
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 控制方程的通用形式
• 2.2 CFD 数值计算方法
• 2.3 湍流模型及其应用
• 2.3.1 湍流流动现象
• 2.3.2 湍流数值模拟方法
• 2.4 CFD 求解过程
• 2.5 CFD 在汽车制动器散热性研究中的应用
• 2.6 本章小结
• 第3章 制动盘散热性数值计算分析
• 3.1 制动盘散热性概述
• 3.1.1 热传递的三种基本方式
• 3.1.2 制动盘散热方式分析
• 3.1.3 制动盘散热性能评价
• 3.2 制动盘散热性数值计算的假设
• 3.3 制动盘散热性数值计算的流程
• 3.4 制动盘散热性数值计算
• 3.4.1 几何模型的建立
• 3.4.2 制动盘网格划分
• 3.4.3 求解参数及边界条件设置
• 3.4.4 计算结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 考虑整车模型的制动盘散热性分析
• 4.1 整车模型制动盘散热性分析必要性
• 4.2 考虑整车模型制动盘散热性分析
• 4.2.1 几何模型的建立
• 4.2.2 计算网格的生成
• 4.2.3 求解参数及边界条件设置
• 4.2.4 计算结果分析与评价
• 4.3 车轮辐板对制动盘散热性影响分析
• 4.3.1 不同辐板制动盘散热性对比分析
• 4.3.2 辐板开孔面积对制动盘散热性影响分析
• 4.3.3 辐板开孔数量对制动盘散热性影响分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于代理模型的制动盘散热性优化设计
• 5.1 代理模型方法概述
• 5.1.1 试验设计介绍
• 5.1.2 近似模型介绍
• 5.2 制动盘散热性优化设计
• 5.2.1 制动盘散热性优化概述
• 5.2.2 近似模型的建立
• 5.2.3 优化结果及分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）