履带式沙滩清洁车动力系统设计与分析

【摘要】：履带式沙滩清洁车是一种特种工程车辆,作业负荷大,作业时车速较低,工作环境恶劣,如作业时扬尘较大,海风湿度大等。因此,发动机冷却系统工作负荷大,极易产生过热。由于沙滩清洁车结构的特殊性,车体底部安装有拨沙滚轮及筛分机构,动力系统安装位置较高,因此易造成整车重心偏移,悬置支架因刚度问题产生共振。对动力系统进行总体计算,并根据计算所得发动机功率扭矩曲线完成发动机选型,并对动力系统的子部件进行了初步设计。根据冷却系统的整体设计要求和动力系统的结构特殊性,确定发动机冷却系统的设计性能参数,得到发动机2600rpm转速工况下冷却液的质量流量为1.6kg/s,空气流量为7.9m/s;基于冷却系统的设计性能参数,完成散热器的初步设计,初步确定了散热器外廓尺寸及芯体内部尺寸。建立冷却系统的计算流体力学(CFD)模型,基于计算流体力学仿真软件FLUENT对散热器流场和温度场进行仿真计算,得到散热器换热系数为:0.023190W/mm2/K;基于多孔介质替换复杂流域的方法,得到发动机额定转速工况下的散热器整体的换热分析计算数据,针对散热器初步设计中存在的冗余设计,提出3种散热器结构改进方案,对比分析3组改进方案结果后得出散热器的最佳散热面积为22.221m2,确定了冷却系统的设计。基于结构拓扑优化的方法对动力系统悬置支架进行尺寸和形状上的优化设计,分别对优化前后的支架进行结构强度分析,以最小化悬置支架的柔度为优化目标对支架进行轻量化设计,优化后支架重量减少34%,最大应力由112.31MPa增大到了129.17MPa,小于材料的许用应力138MPa,结果表明了拓扑优化的合理性。为了保证动力系统悬置支架在高周疲劳的工作环境下具有一定的工作寿命,对优化后支架进行恒定振幅载荷疲劳寿命分析,结果表明优化后的悬置支架在最低循环次数1.6205e+10次,能达到96458小时的工作寿命,满足履带式沙滩清洁车的作业要求。运用有限元方法对优化后动力系统悬置支架进行计算模态分析,结果显示悬置支架的主要振动模态频率在232.79Hz以上,远大于发动机怠速工况的振动频率30Hz,表明该悬置支架避开了发动机的工作频率。基于田口法对动力系统橡胶减振器进行优化设计,得到了各可控因子的最大变形量信噪比,并以此为据,获得了橡胶减振器的最优设计尺寸,增加了减振器强度和疲劳寿命。 【关键词】：工程车辆 动力系统 散热器 CFD 悬置总成 拓扑优化 田口法
【学位授予单位】：厦门理工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.691
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题背景与来源11
• 1.2 沙滩清洁车研究现状11-12
• 1.3 工程车辆动力系统的研究现状12-14
• 1.4 本课题的研究内容14
• 1.5 本章小结14-15
• 第二章 动力系统设计15-36
• 2.1 动力系统总体计算与发动机选型15-18
• 2.1.1 整车总体设计输入参数15
• 2.1.2 有关计算公式15-17
• 2.1.2.1 泵的计算15-16
• 2.1.2.2 马达的计算16-17
• 2.1.3 发动机功率匹配计算及选型17-18
• 2.2 冷却系统初步设计18-30
• 2.2.1 散热器型式选择19-21
• 2.2.1.1 散热器型式选择19-20
• 2.2.1.2 散热器的材质选择20-21
• 2.2.2 散热器的计算与设计21-26
• 2.2.2.1 散热量计算21
• 2.2.2.2 冷却液的循环量21-22
• 2.2.2.3 冷却空气需求量计算22-23
• 2.2.2.4 散热器迎风面积23
• 2.2.2.5 散热表面积及实际散热面积23-24
• 2.2.2.6 芯体外廓尺寸及内部尺寸24-26
• 2.2.2.7 散热器三维建模的建立26
• 2.2.3 风扇与导风罩设计26-30
• 2.2.3.1 风扇的安装型式26-27
• 2.2.3.2 风扇的选型及其性能参数27-29
• 2.2.3.3 风扇导风罩设计29-30
• 2.3 悬置总成初步设计30-31
• 2.3.1 悬置总成布局设计30
• 2.3.2 橡胶减振器设计30-31
• 2.4 动力系统其它主要附件设计与选型31-34
• 2.4.1 空气滤清器计算与选型31-33
• 2.4.1.1 空气滤清器类型的选择32
• 2.4.1.2 空气滤清器主要性能指标32-33
• 2.4.1.3 空气滤清器选型33
• 2.4.2 消音器设计33-34
• 2.4.3 燃油管路设计34
• 2.4.3.1 吸油管径计算34
• 2.4.3.2 燃油箱容积计算34
• 2.5 动力系统初步设计三维建模34-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 发动机冷却系统仿真计算与分析36-49
• 3.1 数值计算模型和方法的确定36-41
• 3.1.1 数值计算模型36-38
• 3.1.1.1 湍流模型36-38
• 3.2.1.2 多孔介质模型38
• 3.1.2 数值计算方法38-39
• 3.1.3 边界条件的设置39-40
• 3.1.3.1 入口边界条件39-40
• 3.1.3.2 出口边界条件40
• 3.1.3.3 壁面的边界条件40
• 3.1.3.4 散热器芯体的处理40
• 3.1.4 模型的简化40-41
• 3.2 仿真计算与结果分析41-45
• 3.2.1 换热单元的数值模拟41-43
• 3.2.2 散热器整体仿真模拟43-45
• 3.3 散热器结构改进45-47
• 3.4 热平衡试验47-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 动力系统悬置总成的优化设计49-65
• 4.1 悬置支架有限元分析及拓扑优化49-53
• 4.1.1 原支架的静力学分析49-50
• 4.1.2 设计空间的确定50-51
• 4.1.3 支架的拓扑优化51
• 4.1.4 支架的形状优化51-53
• 4.2 优化后支架疲劳寿命分析53-55
• 4.3 悬置支架模态分析55-58
• 4.3.1 计算模态分析简介55-56
• 4.3.2 发动机振动频率计算56
• 4.3.3 模态分析56-58
• 4.4 橡胶减振器静力学分析及优化58-64
• 4.4.1 橡胶减振器材料参数确定58-59
• 4.4.2 橡胶减振器有限元模型与边界条件确定59-60
• 4.4.3 求解与结果分析60-61
• 4.4.4 橡胶减振器优化设计61-64
• 4.4.4.1 优化参数的正交表设计61-62
• 4.4.4.2 优化参数的最优组合62-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第五章 产品试制与调试65-72
• 5.1 二维工程图设计与产品试制65-71
• 5.1.1 悬置总成试制65-66
• 5.1.2 散热器、空气滤清器与消音器试制66-69
• 5.1.3 动力系统装配69-71
• 5.2 产品调试71
• 5.3 本章小结71-72
• 第六章 总结与工作展望72-74
• 6.1 全文总结72-73
• 6.2 工作展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-79
• 个人简历、在学期间研究成果以及所参与项目79-80
• 个人简历79
• 在学期间研究成果79
• 参与项目79-80

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