高原挖掘装载机冷却系统热平衡匹配与发动机舱结构优化

发布时间：2017-05-17 12:15

  本文关键词：高原挖掘装载机冷却系统热平衡匹配与发动机舱结构优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：发动机冷却系统散热性能是影响其动力性、经济性、可靠性的重要因素。国外知名企业和科研机构自上个世纪就开始对发动机舱热管理进行研究,并且取得了多项成果；国内对发动机舱热管理研究起步较晚,在工程机械领域涉及较少,企业产品的动力性、经济性、可靠性也远远落后于国外。为了保证在高原低压恶劣环境下具有足够良好的散热性能,确保工程机械工作性能和使用寿命,本文围绕某高原型挖掘装载机的热平衡技术展开了研究。 首先,对某高原型挖掘装载机原型机冷却系统的散热性能进行测试。通过对挖掘装载机不同工况下的实车实验,得到一组实验数据,建立热平衡数据库。利用实验数据分析了其冷却系统散热性能。通过实验,得出冷却系统散热能力一般,热平衡缓冲余量不足,不适用于高原低压环境,存在优化空间。实验结论为后期改善热平衡措施的制定和实施提供有效依据。 其次,提出一种基于实车实验与数值分析的Flowmaster V7软件参数获取的方法,并成功建立发动机热管理仿真模型。利用仿真对影响冷却系统的诸多因素进行分析,提出可行优化的方案,对高原低压环境进行模拟分析,证明原机型冷却系统在海拔4000m高度下不能满足需求,需要进行结构再设计与优化。在该模型基础上进行三参数三水平正交实验,结论得出,进风温度对冷却系统热平衡影响远大于其他因素,应对发动机舱前端结构布局进行优化,合理设计发动机舱结构,优化冷却空气流动和传热,提高冷却性能。 再次,针对冷却系统优化中一维仿真的物理结构局限性,三维仿真计算收敛困难的不足,提出一种多维度耦合仿真优化方法。其将一维与三维仿真软件耦合起来,实现冷却系统局部复杂流体分析与系统计算的统一。利用FlowmasterV7与ANSYS CFX分别建立冷却系统结构模型与发动机舱有限元分析模型,通过迭代修正耦合仿真精确建模,并根据仿真分析,提出多种优化方案,讨论不同结构对冷却风温度、流量、发动机舱温度的影响,进一步预测其对冷却系统热平衡的影响并评价方案优劣。 为了满足工程机械散热性能需求并实现节能降噪,提出用排气引射系统替代电子扇的思路。为获得排气引射系统最佳性能参数,提出基于引射系数和截面压差为目标函数的多目标优化设计方法。利用ANSYS Workbench平台,通过中心复合设计实验方法确定设计点,利用CFX流体动力学软件对不同设计点进行数值模拟,根据获取的响应值建立输入与输出关系的响应面模型,运用多目标遗传算法对引射系数与截面压差进行多目标优化,得到符合设计原则的Pareto优化解集,结果显示其有效提高引射系数并降低了截面压差。该方案虽在散热能力上不如传统电子扇,但存在一定潜力。该多目标优化设计方法为企业快速设计提供参考。
【关键词】：热平衡 优化 排气引射
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU621;TH243
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 研究意义15-16
• 1.3 国内外研究和发展现状16-18
• 1.4 论文的主要研究内容18-20
• 第二章 热平衡基础理论与实验20-32
• 2.1 冷却系统与发动机舱结构概述20-25
• 2.1.1 现代发动机冷却系统概述20-23
• 2.1.2 发动机舱空气侧结构概述23-25
• 2.1.3 冷却系统热管理概述25
• 2.2 热平衡实验25-31
• 2.2.1 实验背景25-26
• 2.2.2 实验方案26-27
• 2.2.3 实验过程27-29
• 2.2.4 实验数据结果与分析29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 冷却系统热平衡模拟研究32-47
• 3.1 Flowmaster V7理论基础32-34
• 3.2 冷却系统仿真过程设计34-38
• 3.2.1 仿真建模过程35
• 3.2.2 参数设置原理与方法35-37
• 3.2.3 模型计算准确度验证37-38
• 3.3 冷却系统匹配优化与高原环境预测38-44
• 3.3.1 标定工况下仿真结果分析38-39
• 3.3.2 进风温度对热平衡的影响39-40
• 3.3.3 进风流量对热平衡的影响40-41
• 3.3.4 水泵流量对热平衡的影响41-42
• 3.3.5 海拔高度对发动机热平衡的影响42-44
• 3.4 多参数正交实验44-46
• 3.4.1 正交实验设计法介绍44
• 3.4.2 基于正交实验的冷却系统热平衡匹配分析44-45
• 3.4.3 实验结论45-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 基于多维度耦合的发动机舱结构布局优化47-82
• 4.1 数值计算模型理论47-50
• 4.2 多维度耦合仿真优化理论与流程50-53
• 4.2.1 多维度耦合理论50
• 4.2.2 仿真过程建模流程50-52
• 4.2.3 优化过程建模流程52-53
• 4.3 标准模型建模与仿真53-66
• 4.3.1 物理模型建立53-54
• 4.3.2 ANSYS Workbench Design Modeler建模54-55
• 4.3.3 挖掘装载机发动机舱模型的网格划分55-57
• 4.3.4 边界条件设置57-63
• 4.3.5 标准模型下仿真计算结果与分析63-66
• 4.4 发动机舱优化设计66-79
• 4.4.1 风扇最大转速优化68-70
• 4.4.2 发动机舱前端优化设计70-73
• 4.4.3 绝热阻风板优化设计73-75
• 4.4.4 电子扇布局设计75-76
• 4.4.5 侧面通风口布局设计76-78
• 4.4.6 优化设计结果分析78-79
• 4.5 效果验证79-80
• 4.6 本章小结80-82
• 第五章 发动机舱散热结构创新设计82-97
• 5.1 排气引射系统的提出82
• 5.2 排气引射系统工作原理与设计82-86
• 5.2.1 排气引射系统工作原理82-83
• 5.2.2 排气引射系统设计83-86
• 5.3 排气引射系统优化设计流程86-90
• 5.3.1 响应面模型建立87-89
• 5.3.2 基于遗传算法多目标优化89-90
• 5.4 优化过程及结果90-95
• 5.4.1 混合室结构尺寸优化90-92
• 5.4.2 扩散室结构尺寸优化92-94
• 5.4.3 排气引射系统性能参数验证94-95
• 5.5 效果仿真预测95-96
• 5.6 本章小结96-97
• 第六章 总结与展望97-100
• 6.1 总结97-98
• 6.2 展望98-100
• 参考文献100-104
• 致谢104-106
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果106

【参考文献】

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本文编号：373391