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湿式多片摩擦离合器多场耦合仿真及流场动态优化

王清  
【摘要】:湿式多片摩擦离合器广泛应用于舰船驱动系统中,是实现原动机与传动系统之间切断和传递动力的重要部件。随着摩擦离合器朝着大功率、高转速、轻量化方向的发展,离合器发热现象愈加严重。研究发现,离合器脱排状态下的摩擦片间油层的剧烈剪切发热,是引起离合器过热的重要原因之一。因此开展湿式多片摩擦离合器多场耦合仿真及流场动态优化分析,对解决离合器过热问题,提高离合器使用效率具有重要的理论意义及工程应用价值。本文针对脱排状态下的湿式多片摩擦离合器,开展分片过程流场动态仿真、热流固多场耦合分析、离合器油路结构动态优化等方面研究。论文的主要研究工作如下:(1)根据离合器结构及离合器片受力情况,推导了湿式多片离合器分片过程瞬态运动方程;借助ANSYS/CFX软件,建立了离合器油路流场的参数化有限元模型,结合离合器片瞬态运动方程,采用动网格技术对离合器进行分片过程流场动态仿真,研究了分片过程流场的动态特性及各片间油层厚度的分布情况。(2)基于牛顿内摩擦定律及油层剪切机理,建立了含径向和周向油槽的离合器摩擦片带排扭矩数学模型,计算得出带排扭矩解析解;建立了离合器片间润滑油层参数化离散模型,采用有限元法计算得出带排扭矩数值解,并与解析解进行了对比分析;而后研究了油槽形式、主动轴转速和润滑油温度对离合器带排扭矩的影响。(3)针对分片过程仿真所得稳定状态油路模型,进行离合器润滑油路热流耦合数值仿真,分析了油路的油压及温度分布情况;在此基础上,以摩擦片、对偶片及片间流体为研究对象,建立了摩擦片副热流固多场耦合分析模型,求得离合器的流场、温度场、位移场和应力场,研究了油层厚度及主动轴转速对润滑油压力、温度以及离合器片等效应力、综合位移的影响规律。(4)以离合器各油管直径为设计变量,离合器油路润滑油压范围为约束条件,各摩擦片及对偶片的片间油层厚度分布曲线的标准差为目标函数,建立了基于计算流体动力学的离合器油路结构参数化动态优化模型,采用响应面法优化得出最佳油路结构,对比分析优化前后离合器片间油层厚度分布,优化效果良好。


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