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【QC360】帕萨特B5空调制冷系统及维修,qc360,帕萨特,b5,空调,制冷系统,维修
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1 帕萨特 调制冷系统 原理 及维修 摘要： 本论文主要讲述的是对汽车空调不制冷的故障进行分析及排除 ， 汽车空调不制冷主要分为：汽车空调完全不制冷故障、汽车空调制冷不足故障、汽车空调间隙性制冷故障。从空调系统的工作原理方面入手 ， 通过各种检测结果 ， 再结合空调电路知识进行分析 ， 综合总结其故障原因及排除。 关键词： 帕萨特 汽车空调 电路控制原理 不制冷 故障分析 维修 2 目 录 第一章 绪论 第二章 汽车空调的基本概述 调的 功 用 冷原理 车空调的特点 第三章 汽车空调的结构组成与工作原理 车空调系统的部件构成 缩机 凝器 胀阀 发器 液干燥器 车空调制冷系统的工作原理 缩过程 热过程 流过程 热过程 第四章 帕萨特 车空调故障 诊断与排除 障诊断方法 察法 制冷部件及控制机构的检查 力检 测法 障排除 第五章 小结 结束语 致谢 参考文献 3 第一章 绪论 随着世界科学技术的迅猛发展，人们对汽车的舒适性 、 安全性 、 可靠性的要求不断提高，空调系统已成为现代汽车的标准装置。同时，随着现代汽车技术大量融进电子技术，计算机技术和控制技术。空调系统的结构越来越复杂，控制部分的电子化程度也越来越高，许多高级进口汽车已采用微型计算机控制的自动空调。 此 外，为适应环保要求，新型的 12制冷剂。 汽车空调给人以清爽、舒适的感觉，但在使用过程中也不可避免的出现一些故障，有了故障当然也需要维修了，但是空调什么故障让车主烦恼的，其实有很多，比如空调启动困难或不能启动、制冷不足、间隙性制冷、完全不制冷、压缩机不工作等 等故障，但是我个人认为：空调不制冷时是最能让人头痛与烦恼，本论文就浅谈上海帕萨特 调不制冷的故障原因，并加以分析诊断，最后故障排除及做出总结。 帕萨特 2000年， 上海大众 汽车有限公司生产的帕萨特 国 市场，在中国上市的帕萨特以德国大众汽车公司的帕萨特轿车为原型，根据中国的法规规定、道路条件和中国用户的审美倾向、使用要求而全新开发的，将原型的 00大的体形让帕萨特更适合于国内的商务车市场。成为中型轿车中的高端产品。上海大众还对帕萨特 取了一个别名：领驭。也被人戏称为：帕萨特 帕萨特 齐的进气隔栅，平直的腰线，挺扩的前车鼻，车顶简洁的弧线轮廓，整车外形大气典雅，但尾部造型与奥迪相比显得有些生硬。帕萨特的外形中规中矩 ，比较容易受到中年人士的欢迎，但可能会失去一部分年轻人的市场。藉由帕萨特 用最先进的工程技术，帕萨特轿车在动力性能、整体设计、安全概念、驾乘舒适性以及耐久、耐用性上，都已超越中档轿车的标准设计。 帕萨特的前悬挂采用四连杆独立式悬挂，后悬挂采用复合扭转梁式半独立悬 挂。悬挂的调整是偏向舒适型的。行驶时能有效的过滤掉路面传来的震动，底盘的噪音也很小。 4 第二章 汽车空调的基本概述 调的功用 冷却、加热、洗涤或过滤、加湿或除湿、循环流动或不循环流动的处理过程 （ 如 图 示 ） 。 图 车空调系统 汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。它可以为乘车人员提供舒适的乘车环境，降低驾驶员的疲劳强度，提高行车安全。空调装置已成为衡量汽车功能是否齐全的标志之一。 现代汽车空调有四种功能，其中任何一种功能都是为了是乘客感到舒适 。 （ 1）空调器能控制车厢内的气温，既能加热空气，也能冷却空气，一以便把车厢内温度控制到舒适的水平； （ 2）空调器能够排出空气中的湿气。干燥空气吸收人体汗液，造成更舒适的环境； （ 3）空调器可吸入新风，具有通风功能； （ 4）空调器可过滤空气，排除空气中的灰尘和花粉。 汽车空调系统的类型 5 1、按 驱动方式 分为：独立式（专用一台发动机驱动压缩机，制冷量大，工 作稳定，但成本高，体积及重量大，多用于大、中型客车）和非独立式（空调压缩机由汽车发动机驱动，制冷性能受发动机工作影响较大，稳定性差，多用于小型客车和轿车）。 2、按空调性能分为：第单一功能型（将制冷、供暖、通风系统各自安装、单独操作，互不干涉，多用于大型客车和载货汽车上）和冷暖一体式（制冷、供暖、通风共用鼓风机和风道，在同一控制板上进行控制，工作时可分为冷暖风分别工作的组合式和冷暖风可同时工作的混合调温式。轿车多用混合调温式）。 按控制方式分为手动式（拨动控制板上的功能键对温度、风速、风向进行控 制）和电控气动调节（利用真空控制机构，当选好空调功能键时，就能在预定温度内自动控制温度和风量）。 3、按控制方式分为：全自动调节（利用计算比较电路，通过传感器信号及预调信号控制调节机构工作，自动调节温度和风量）和微机控制的全自动调节（以微机为控制中心，实现对车内空气环境进行全方位、多功能的最佳控制和调节）。 冷原理 利用热从温度较高区域流至温度较低区域的特性。 如图 图 车空调制冷原理 6 汽车空调制冷系统 1、压缩过程：压缩机吸入蒸发器出口处的低温抵压的制冷剂气体， 把它压缩成高温高压的气体排除压缩机。 2、散热过程：高温高压的过热制冷剂气体进入冷凝器，由于压力及温度的降低，制冷剂气体冷凝成液体，并排出大量的热量。 3、节流过程：温度和压力较高的制冷剂液体通过膨胀装置后体积变大，压力和温度急剧下降，以雾状（细小液滴）排除膨胀装置。 4、吸热过程：雾状制冷剂液体进入蒸发器，因此时制冷剂沸点远低于蒸发器内温度，故制冷剂液体蒸发成气体。在蒸发过程中大量吸收周围的热量，而后低温低压的制冷剂蒸气又进入压缩机。 上述过程周而复始的进行下去，便可达到降低蒸发器 周围空气温度的目的。 车空调的特点 早期的汽车空调：各系统相互独立且手动控制，因此温度、湿度、风量很难控制。 现代的汽车空调：自动调节；各系统集于一体；在设定好的最佳温度、湿度和风量的情况下，还可进行多档位、多模式的微调；还可故障自诊断、数字显示等等。 7 第三章 汽车空调的结构组成与工作原理 车空调系统的部件构成 汽车空调大多数系统都具有：空调控制面板、空调放大器、蒸发器、热敏电阻（蒸发器温度传感器）、双压开关、发动机冷却液温度开关、压缩机、冷凝器、储液干燥器、管 路、铜管 (或铝管 )和高压橡胶管等连接成一个密闭系统。 缩机 压缩机 的作用是 制冷压缩机是汽车制冷系统的心脏，是推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动力源 （ 如 图 示 ） 。 图 缩机 结构图 凝器 冷凝器 的作用 是把来自压缩机的高温高压气体通过管壁和翅片将其中的热量传递给冷凝器外的空气，从而使气态制冷剂冷凝成高温高压的液体，使其通过节流元件 (如膨胀阀或节流管 )后吸收大量热量而汽化 （ 如 图 示 ） 。 8 图 凝器的结构 胀阀 膨胀 阀 的作用 具有节流降压、调节流量、防止液击和防止异常过热等多种功能，是制冷系统中的重要部件 （ 如 图 示 ） 。 (a) (b) (c)图 胀阀的类型 发器 蒸发器 的作用是 利用低温低压的液态制冷剂蒸发时吸收周围空气中的大量热量，从而达到车内降温之目的。 液干燥器 储液干燥器的作用是储存制冷剂、过滤制冷剂中的杂质还可使气液分离。 车空调制冷系统的工作原 理 空调制冷系统 工作时，制冷剂以不同的状态在这个密闭系统内循环流动 (如图 示 )，每一循环需进行四个基本过程。 缩过程 压缩机吸入蒸发器出口处的低温抵压的制冷剂气体，把它压缩成高温高压的气体排除压缩机。 9 热过程 高温高压的过热制冷剂气体进入冷凝器，由于压力及温度的降低，制冷剂气体冷凝成液体，并放出大量的热； 流过程 温度和压力较高的制冷剂液体通过膨胀装置后体积变大，压力和温度急剧下降，以雾状（细小液滴）排除膨胀装置； 热过程 雾状制冷剂液体进 入蒸发器，因此时制冷剂沸点远低于蒸发器内温度，故制冷剂液体蒸发成气体。在蒸发过程中大量吸收周围的热量，而后低温低压的制冷剂蒸气又进入压缩机。 图 汽车空调的制冷系统布置图 制冷循环就是利用有限的制冷剂在封闭的制冷系统中，周而复始地将制冷剂压缩、冷凝、膨胀、蒸发，在蒸发器中吸热汽化，对车内空气进行制冷降温。 10 第五章 帕萨特 车空调故障诊断与排除 障诊断方法 汽车空调的故障一般有以下几种：不制冷或制冷不良；声音异常或有噪音；控制电器元件故障，系统堵塞等。常用的检查方法有两种：即为 观察法和压力检测法。 察法 汽车空调故障检测中所说的观察法主要是利用人体的眼、耳、手、鼻等感知器官加上个人经验，对空调系统所出现的故障进行判断的一种方法。通常我们用手感检查各部分温度是否正常、用肉眼检查泄漏部位及表面情况、从窗玻璃判断系统状况、用断开和接合电路方法检查电器部件、用耳听和鼻嗅的方法检查是否有异常响声和气味等。 1、 用手感检查温度 用手触摸空调系统管路及各部件，检查表面温度。正常情况下，低压管路是低温状态，高压管路是高温状态。 (1)高压区：从压缩机出口冷凝器储液干燥器膨胀阀 进口处，这一部分是制冷系统的高压区，这部分部件应该先烫后热，温度是很高的，手摸时应特别小心，避免被烫伤。如果在其中某一部分 (例如在冷凝器表面 )发现有特殊热的部位，则说明此部分有问题，散热不好。如果某一部位 (如膨胀阀入口处 )特别凉或者结霜，也说明此部分有问题，可能是堵塞。储液干燥器进出口之间若有明显温差，则说明此处有堵塞，或者制冷剂量不正常。 (2)低压区：从膨胀阀出口蒸发器压缩机进口处，这部分低压区部件表面应该是冰凉的，但膨胀阀处不应发生霜冻现象。 (3)压缩机高低压侧：高低压侧之间应该有明显温差，若没 有则说明几乎没有制冷剂，系统有明显泄漏。 2、 用肉眼检查渗漏部位 所有连接部位或冷凝器表面一旦出现油渍，一般都说明此处有制冷剂渗漏。但压缩机前轴处漏油，有可能是轴承漏油，应区别对待。一旦发现渗漏，应尽快采取措施修理，也可用较浓的肥皂水涂在可疑之处，观察是否有气泡现象。 11 重点检查渗漏的部位是： (1)各个管道接头及阀门连接处。 (2)全部软管，尤其在管接头附近察看有否鼓包、裂纹、油渍。 (3)压缩机轴封、前后盖板、密封垫、检修阀等处。 (4)冷凝器表面被刮坏、压扁、碰伤处。 (5)蒸发器表面被刮坏、压扁、碰伤处。 (6)膨胀阀的进出口连接处，膜盒周边焊接处，以及感温包与膜盒焊接处。 (7)干燥器的易熔塞及（高、低）压力开关处、视液玻璃 (检视窗 )、高低压阀连接处。 (8)歧管压力表 (如果安装的话 )的连接头、手动阀及软管处。 3、 从视液玻璃判断系统工况 视液玻璃大多安放在储液干燥器上，也有安放在从储液器到膨胀阀之间或冷凝器到储液器之间的管路上。从视液玻璃判断工况要在发动机运转、空调工作时才能进行。从视液玻璃中看到的工质情况 (如图 示 )。 图 液干燥器视液窗 (1)清晰、无气泡，说明制冷剂适量。过多或完全漏光，可用交替开关空调机的办法检查。若开、关空调机的瞬间制冷剂起泡沫，接着就变澄清，说明制冷剂适量；如果开、关空调从玻璃窗内看不到动静，而且出风口不冷，压缩机进出口之间没有温差，说明制冷剂漏光；若出风口不够冷，而且关闭压缩机后无气泡、无流动，说明制冷剂过多。 (2)偶尔出现气泡，并且时而伴有膨胀阀结霜，说明系统中有水分；若无膨胀阀结霜现象，可能是制冷剂略缺少或有空气。 (3)有气泡且泡沫不断流过， 说明制冷剂不足。如果泡沫很多，可能有空气。若判断为 制冷剂不足，则要查明原因，不要随便补充制冷剂。由于胶管一年可能有 100 200g 的制冷剂自然泄漏，若是使用两年以后发现制冷剂不足可以判断为胶管自然泄漏。 12 (4)有长串油纹，观察孔的玻璃上有条纹状的油渍，说明润滑油量过多。此时应想办法从系统内释放一些润滑油，再加入适量的制冷剂。若玻璃上留下的油渍是黑色的或其他杂物，则说明系统内的润滑油变质、污浊，必须清洗制冷系统，更换同型号润滑油。 制冷部件及控制机构的检查 1、 检查压缩机 起动压缩机，进行下列 检查： (1)如果听到异常响声，说明压缩机的轴承、阀片、活塞环或其他部件有可能损坏，或润滑油量过少。 (2)用手摸压缩机缸体 (小心高压侧很烫 )，如果进出口两端有明显温差，说明工作正常；如果温差不明显，可能制冷剂泄漏或阀片漏。 (3)如果有剧烈振动，可能皮带太紧，皮带轮偏斜，电磁离合器过松或制冷剂过多。 2、 检查换热器表面并进行清洗 (1)检查蒸发器通道及冷凝器表面，以及冷凝器与发动机箱之间是否有碎片、杂物、泥污，要注意清理，小心清洗。 (2)冷凝器可用软长毛刷沾水轻轻刷洗，但不要用蒸汽冲洗。换热器表面，尤 其是冷凝器表面要经常清洗。 (3)检查冷凝器表面和端板处是否有脱漆现象，注意及时补漆，以免锈蚀。 (4)蒸发器表面可用水清洗，可用压缩机空气冲洗，如果翅片弯曲，可用镊子小心扳直。 3、 检查储液干燥器 (1)用手摸储液干燥器进出管，并观察视液玻璃，如果进口很烫，而且出口管温度接近气温，从视液玻璃中看不到或很少有制冷剂流过，或者制冷剂很混浊、有杂质，则可能储液器中的滤网堵了，或是干燥剂散了并堵住出口。 (2)检查易熔塞是否熔化，各接头是否有油迹。 (3)检查视液玻璃是否有裂纹，周围是否有油迹。 (4)检查压力开 关是否导通（系统内有压力时应该接通）。 13 4、 检查制冷软管 看软管是否有裂纹、鼓包、油迹，是否老化，是否会碰到尖物、热源或运动部件。 5、 检查电磁离合器及低温保护开关 断开和接通电路，检查电磁离合器及低温保护开关是否正常工作。 (1)小心断开电磁离合器电源，此时压缩机会停止转动，再接上电源，压缩机应立即转动，这样短时间接合试验几次，以证明离合器工作正常。 (2)天冷时，若压缩机不能起动，可能是由于环境温度低于蒸发器传感器设定温度，系统处以低温保护状态，可将保护开关短路或将蓄电池连接线直接连到电磁离合器 (连接时 间不能超过 5s)。若压缩机仍不动作，则说明离合器有故障。 (3)在低温保护开关规定的气温以下仍能正常起动压缩机，则说明低温保护开关可能发生短路故障。（面板设计时就有该功能）。 6、 检查感温包保温层 检查膨胀阀感温包与蒸发器出口管路是否贴紧，隔热保护层是否包扎牢固。 7、 检查换热器壳体 检查蒸发器壳体有无缝隙，蒸发器箱体内是否有杂质，冷凝器导风罩是否完好。 8、 检查电线连接 检查电线接头是否正常，连接是否可靠。 9、 检查压缩机皮带盘及连接皮带 (1)检查皮带张紧力是否适宜，表面是否完好，配对的皮带盘是否在同 一平面。皮带新装上时正好，运转一段时间会伸长，因此需要两次张紧。皮带过紧会使皮带磨损，并导致有关总成的轴承损坏，过松则使转速降低，发出啸叫声，并引起制冷量不足。（注意：很多服务站就把此种啸叫声诊断为压缩机离合器坏）。 (2)若用一般三角皮带，新装上的皮带张紧力应为 40 50N，运转后张紧力应为 25N 左右。 14 (3)齿形皮带的张紧力若不足，将会降低齿形皮带的可靠性。但张紧力过大皮带会缩短皮带寿命，正常情况下，我们用中指以 8力垂直压皮带松边，最大位移为 8宜。 (4)保证皮带在一直线 运转是非常重要的，误差最大不能超过 2要时可用加减垫片的方法进行。 10、 检查风机 风机的检查，听风机工作时是否有异常声响，若有则立即检查是否有异物塞住叶轮，是否碰到其他部件，尤其要检查电机的轴承是否被咬死，轴承损坏后造成擦框。碳刷磨损严重或打火，造成电流过大烧保险。 力检测法 对于空调的一般故障，我们都可以应用观察法完成。但对于类似于确定压缩机坏、是否冷媒充注过量或不足、是否系统内有水分等现象，我们往往不能准确的判断，必须通过仪表测量的数据，才能给予正确的结论，这就是下面我们所讲的利 用歧管压力表进行故障诊断的方法。 正常状态的制冷系统在 (如表 1 所示 )工况条件下： 表 1 发动机转速 1800境温度 3035 蒸发风机 高速 温度控制 最冷 正常压力 低压 (或 （ 或 (高压 (或 （ 14 16 或 (注意： 空调系统运转前，高压和低压两端的压力均为： 58 kg/ 1注： 高压力开关 （ ，低压力开关 （ ，高低压压力开关 （ 15 障排除 根据上述现象开车上路试验，故障现象的确如此。经过询问得知，该车已在维修站修理过空调，并且更换过空调制冷剂，但情况没有好转。 根据故障现象，不能直接得出故障症结所在。按正常修理程序，首先对空调系统压力进行测量，启动发动机，打开 空调，使空调怠速运行数分钟，空调系统低压表显示系统低压为 220压表显示系统高压逐渐上升至 2000持不动，同时散热风扇由低速度、转为高速，以加强散热，上述压力值显示系统压力正常，此时驾驶室空调制冷效果良好。然后将发动机转速升至 2000r/变，发现系统高压逐渐上升至 250手触摸低压管路，管路冰凉，系统低压约 200明空调压缩机工作性能良好 。 在起动 帕萨特 车 的 空调过程中 ，我们 发现系统高压压力 到了正常值 2000，还 仍然上升至 2700时系统高压明显太高。 根据空调维修经验判断，导致空调系统高压压力过高的原因多有三种情况。 (1)过量加注制冷剂。 (2)空调冷凝器过脏。 (3)冷凝器质量不好，散热能力不足。 该车已在维修站按标定量加注过标准 冷剂，所以制冷剂过量的情况可以排除。拆下前保险杠及前脸，检查冷凝器，发现冷凝器太脏，散热片上夹有很多杂物，散热片上覆盖很厚的一层尘土。随后将该冷凝器彻底清洗干净，安装好保险杠，打开空调，当转速保持在 2000r/右时，测试系统压力，高压基本保持在 1800力正常，此时空调制冷明显好转。经上路试验，低速和停车运行上述现象不再出现，故障暂时排除。 但是第二天故障仍然出现。随后重新检修该车空调，打开空调，发现散热风扇不工作，检查风扇扇叶转动自如，然后检查风扇电路。首先拆下左前大灯后面的长方形塑料罩壳，检查散热风扇双针插接头 否来电， 用万用表的直流电压档测 和搭是否有电压，当测量此电压为 电压值为正常工作电压，说明散热风扇控制电器良好，然后再测试散热风扇，再从蓄电池的正负极接线柱引出两条电源线，接到散热风扇的两端，此时散热风扇 转动，就能说明散热风扇良好，因此就能判定是因该插头接线不良而导致风扇不正常工16 作。在更换插座后，重新插上，此时散热风扇正常工作，因此故障解除。 测试时发现该插头因接触不良而发热，导致风扇不正常工作。 根据第一天的检查结果，再结合该车空调系统电路 (如图 示 )分析得知：由于冷凝器太脏，系统高压高于 1600，风扇高速工作，系统压力长时间高于 1600力开关 点 3 4 接通，风扇高速继电器 合，散热风扇长时间高速工作。但因为汽车长时间低速行驶，加之冷凝器过脏，通 风不好，所以冷凝器散热能力降低，这样空调制冷效果不好，同时高速工作的散热风扇由于长时间运转，导线承受负荷过高而发热，久而久之，造成插接头 触不良，造成有时风扇不工作，这样冷凝器散热能力更加变低，使得空调系统高压在汽车低速行驶或驻车运行时压力很快超过 3200右。 图 海 帕萨特 车空调 系统电路简 图 ； 境温度开关； 压力开关； 缩机电磁离合器； 热风扇变速电阻； 热电动风扇； 动机控制单元； 调压缩机切断继电器； 热风扇继电器； 热风扇继电器，低速； 热风扇继电器，高速； 合仪表； 热风扇插接头，双针，棕色 17 图 海 帕萨特 车空调控制示意图 当空调系统压力高于 3140，压力开关 1 2 的触点断开，这样空调切断，继电 断压缩机电磁离合。 源迫使空调停止工作 (如 图 示 )，以降低压力。这样空调反复地工作和不工作，反映在空调出风口上便是出风口温度的上下波动。而以上这种情况在阳光直射的高温环境状况下发生的频率会大大升高，也就不足为怪了 。 根据上述分析，该车空调故障正是由冷凝器过脏和散热风扇不工作所引起。将风扇插接头修理后，风扇恢复正常工作，空调系统压力正常，故障彻底排除。 18 第五章 小结 本论文主要描述了 上海帕萨特 轿车 空调不制冷的故障分析与排除 ,从而介绍了 上海帕萨特 轿车 空调的作用、组成及各重要零部件的作用，空调制冷的工作原理和故障分析及排除。在排除故障中主要是通过看（察看系统各设备的表面现象）、听（听机器运转声音） 、摸 (用手触摸设备各部位的温度 )测（利用压力表、温度计、万用表、检测仪检测有关参数）等手段来进行的。同时还应仔细向车主询问故障情况，判断是操作不当，还是设备本身造成的故障。若属前者，则应向车主详细介绍正确的操作方法；若属后者，就应按上述进行综合分析，找出故障所在，查出故障原因。 19 结束语 汽车空调不制冷的故障是个常见的问题，只要细心检查就很容易解决的。由于自己的实践经验严重不足，检查时粗心大意，很多细节的问题都理所当然地认为没必要检查，再加上理论知识掌握得不牢固，在维修过程中走了 一段 很 长的路，但这一次检测维修过程也让我体会到理论与实践的真正意义。 因此在维修中我们不能用个人主观去理所当然的作为判断依据，在遇到问题时我们要综合 分析所有的可能，冷静思考结合理论认真分析，注意到每一个细节上去， 这样才能让我们小走弯路，达到事半功倍的效果。 20 致谢 在此特别要感谢我的论文指导老师对我的大力支持及耐心指导， 让我完成了这次的毕业论文。另外还要感谢我的 汽车 空 调实习教师谭善茂老师，为我提供了许多有关汽车方面的资料，使我懂得 了很多关于汽车方面的知识。 由于 汽车空调技术的不断发 展，加之 本人水平 有限 ，本论文难免 出现错漏与不足 之处，恳请老师批评指正。 21 参考文献 1林钢主编 .北京 2008 年 2王运明主编 广东 1995 年 3陈盛象 主 编 北京 1999 年 4范爱民 主编 北京 2009 年 5陈家瑞主编 北京 1993 年 6舒华、姚国平 主编 维修 北京理工大学出版社 7王世刚 主编 北京 2007 年 8吴基安 主 编 北京 1994 年 22 附录 I 外文文献翻译 估计导致工程几何分析错误的一个正式理论 械工程系，威斯康辛大学，麦迪逊分校， 2006年 9月 30 日 摘要 ： 几何分析 是著名的计算机辅助设计 /计算机辅助工艺简化 “ 小或无关特征 ” 在 的程序 ，如有限元分析 。 然而 ，几何分析 不可避免地 会产生 分析错误 ， 在目前的理论框架实在不容易量化 。 本文 中，我们 对快速 计算 处理这些几何分析错误 提供了严谨的理论。尤其 ， 我们集中力量解决地方的特点，被 简化 的任意形状和大小的 区域 。提出的理论 采用 伴随 矩阵 制定边值问题抵达严格界限几何分析性分析错误。该理论通过数值例子说明。 关键词 :几何分析 ;工程分析 ;误差估计 ;计算机辅助设计 /计算机辅助 教学 1. 介绍 机械 零件 通常包含了许多几何特征。不过，在工程分析 中 并不是所有的特 征 都是至关重要的 。以前的分析 中 无关特征往往被 忽略 ，从而提高自动化及运 算速度。 举例来说，考虑一个刹车转子 ， 如图 1(a)。转子包含 50多个不同 的特 征 ，但所有这些 特征 并不是都 是 相关的 。就拿一 个 几何化的 刹车转子 的 热 量 分析 来说，如 图 1(b)。有限元分析的全功能的模型 如 图1(a)， 需要超过 150,000 度的自由 度 ， 几何 模型图 1(b)项要求 小于 25， 000个自由度，从而导致 非常缓慢的 运算速度。 图 1(a)刹车转子 图 1(b)其 几何分析 版本 除了提高速度，通常 还能 增加自动化水平，这比较容易实现自动化的有限元网格 几何分析 组成。内存要求也 跟着 降低 ，而 且 条件数离散系统 将得以 改善 ;后者起着重要作用迭代线性系统。 但是，几何分析还不是很普及 。 不稳定性到底 是 “ 小而 局部 化 ” 还是 “ 大 而扩展化 ” ，这取决于各种因素。例如， 对于 一个热问题，想删除其中的一个特 征，不稳定性 是 一个局部问题 :(1)净热通量边界的特点是零。 (2)特征简化时 没有新的热源 产生 ; 4对上述规则 则 例外。展示这些物理特征被称为自我平衡。结果，同样存在结构上的问题。 从几何分析角度 看 ，如果特征远离该 区域 ， 则 这种自我平衡的特 征可以忽略 。但是，如果功能接近该 区域我 们必须谨慎，。 从 另一 个角度看 ，非自我平 衡的特 征应值得重视 。 这些特征的简化 理论上 可以在系统任意位置被施用 ,但是会 在系统分析 上 构成重大的挑战。 目前，尚无任何系统性的程序 去 估算几何分析 对 上述两个案例 的 潜在影响。 这就必须 依靠工程判断23 和经验。 在这篇文章中，我们制定了理论估计几何分析影响工程分析自动化的 方式 。任意形状和大小的 形 体如何 被 简化是本文重点要 解决 的 地方。伴随 矩阵 和单调分析 这 两个数学概念被合并成一个统一的理论来解决双方的自我平衡和非 自我平衡的 特点。数值例子涉及二阶 证实他的理论。 本文还包含以 下 内容 。第 二节中 ，我们就几何分 析总结以往的工作。在第三节中，我们解决几何分析引起的错误分析，并讨论了拟议的方法。 第四部分 从数值试验提供结果。 第五部分讨论如何加快设 计开发 进度 。 2. 前期工作 几何分析过程可分为三个阶段 : 识别 :哪些特 征 应该 被 简化 ； 简化 ： 如何在一个自动化和几何一致的方式 中简化 特征 ； 分析 :简化 的结果。 第一 个阶段 的相关文献已 经很多 。 例如 ，企业的规模和相对位置 这 个特点，经常被用来作为度量鉴定。此外，也有人提议以有意义的力学判据确定这种特征。 自动化几何分析过程，事实上，已成熟到一个商业 化 几何分析 的 地步。但我们注意到，这些商业软件包 仅 提供一个纯粹的几何解决。因为没有保证随后进行的分析错误 ，所以 必须 十分 小心使用 。另外， 固有 的几何问题依然存在，并且 还在研究当中 。 本文的重点是放在第三阶段，即 快速 几何分析 。 建立一个有系统的方法，通过几何分析引起的误差是 可以计算出来的。 再分析的 目的是迅速 估计 改良系统 的 反应。其中 最著名的再分析理论 是著名的谢尔曼对于 两种有着相似的网状结构 和 刚度矩阵设计， 再分析 这种技术特别有效 。然而 ，过程几何分析在网状结构的刚度矩阵 会 导致一个戏剧性的变化， 这与再分析 技术不太相关。 3. 拟议 的方法 我们把注意力 放 在这个文件中的工程问题， 标量 二阶偏微分方程式 ( .).( 许多 工程技术问题，如热，流体静磁 等 问题，可能 简化为 上述 公 式 。 作为一个 说明性 例子，考虑散热问题的二维 模 块 如图 2所示 。 图 2二维热座装配 热量 置 列为 半导体装置 位于 这两个地 方 都属于 ，有相同的材料属性，其余 将 在 后面 讨 论 。 特别令人感兴趣的是数量，加权温度 见图 2)。一个时段，认定为 s 图 2，会受到抑制，其对 界的时段 称为余的界线将 称为 。边界温度 假定为零。两种可能的边界条件 认为是 :(a)固定热源，即 (t)n=q， (b)有 一定温度，即 T=种情况会导致两种不同几何分析引起的误差的结果。 设 T(x， y)是未知的温度场和 后，散热问题可以通过泊松方程式表示 : 24 )1()().)(00).(s l c ts l c ts l c tc oi lc oi E )2(),(),( d e v i c m p u t e d e v i c (x， y)是一些加权内核。现在考虑的问题 是几何分析简化 的插槽是 简化 之前分析 ，如 图 3所示 。 图 3配模块 现在有一个不同的边值问题，不同领域 t(x， y): )3(t 0Q). ( - E c oi ls l oi l (),(),( de v i v i c o m p u t t(x， y)已经消失了，因为槽已经不存在了 （ 关键性变化 ） ! 解决的问题是 : 设定 t(x， y)的值 ，估计 这是一个 较难 的问题 ，是 我们尚未解决 的 。在这篇文章中，我们将从上限和下 限 分析 些方向是明确被俘引理 3、 4 和 3、 6。至于其余的这一节，我们将发展基本概念和理论，建立这两个 引理 。值得注意的是，只要它不重叠 ， 定位槽与 相关 的装置或热源没有任何限制。上下界 的 随 矩阵 方法 我们需要的第一个概念是，伴随 矩阵公式表达法 。应用伴随 矩阵 论点的微分积分方程，包括其应用的控制理论，形状优化，拓扑优化等。 我们 对这一概念归纳如下。 相关的问题都可以定义 为 一个伴随 矩阵 的问题， 控制 伴随 矩阵 t_(x， y)，必须符合下列公式计算 23 : e v i c es l o td e v i c (0).(* 伴随场 t_(x， y)基本上是一个预定量，即加权装置温度控制的应用热源。 可以 观察到，伴随问题的25 解决是复杂的原始问题 ;控制 方程是相同的 ;这些问题就是所谓的自 身伴随矩阵 。大部分工程技术问题的实际利益，是自 身伴随矩阵 ，就很容易计算伴随 矩阵 。 另一方面， 在几何分析 问题 中 ，伴随 矩阵 发挥着关键作用 。 表现为以下引理综述 : 引理 区别，即 (以归纳为以下的边界积分比 几何分析插槽 : s l o ts l o de v i c v i c e).)().(*在上 述引理 中 有两点值得注意 : 1、 积分只牵涉到边界 这是令人鼓舞的。或许，处理刚刚过去的被 简化 信息特点可以计算误差。 2、 右 侧 牵涉到的未知 区 域 T(x， y)的全功能的问题。特别是第一 周期 涉及的差异，在正常的梯度，即涉及 n;这是一个已知数量边界条件 t 未知狄里克莱条件作出规定t另一方面，在第二个 周 期内涉及的差异，在这两个领域， 即 因为 价， 这是一个已知数量 边界条件 此。 引理 差额 (等式 l o ts l o ts l o td e v i c ed e v i c es l o ts l o ts l o td e v i c ed e v i c *22*).()()().()()().() ) .()(然而 ，伴随 矩阵 技术不能完全消除未知 区 域 T(x， y)。为了消除 T(x， y)我们把 重点 转向单调分析。 单调性 分析是由数学家在 19世纪和 20 世纪前建立的各种边值问题。例如，一个单调定理 : 添加几何约束到一个结构性问题，是指在位移 (某些 )边 界不减少 。 观察发现，上述理论提供了一个定性的措施 以 解决边值问题。 后来， 工程师利用 之前的 “ 计算机时 代 ” 上限或下限同样的定理， 解决了 具有挑战性的问题。当然，随着计算机时代的到来 ， 这些 相当复杂的直接求解 方法已经不为人所用 。 但是 ，在当前的几何分析，我们证明这些定理采取更为有力的作用，尤其 应 当配合使用伴随理论。 我们现在利用一些单调定理，以消除上述引理 T(x， y)。遵守先前 规定 ，右边是区别已知和未知的领域，即 T(x， y)-t(x， y)。因此，让我们在界定一个领域 E(x， y)在区域为 : e(x， y)=t(x， y)-t(x， y)。 据 悉， T(x， y)和 T(x， y)都是明确的界定，所以是 e(x， y)。事实上，从 公式 (1)和 (3)，我们可以推断， e(x， y)的正式满足边值问题 : 26 s lo ts lo o l v e)().)(00).(解决上述问题 就能 解决 所有 问题 。 但是，如果我们能计算 区 域 e(x， y)与正常的坡度超过插槽，以有效的方式，然后 ( 就 评价表示 e(X， Y)的效率，我们现在考虑在上述方程两种可能的情况 如 (a)及 (b)。 例 (a)边界条件较第一插槽，审议本案时槽原本指 定 一 个 边界条件。为了估算 e(x， y)，考虑以下问题 : )6(,0),(.(22o l v e s l o ts l o 讨 论域 ，以上问题计算 较简单 。经典边界积分 /边界元方法可以 引用 。关键是计算机领域 e1(x， y)和未知领域的 e(x， y)透过 引理 两个领域 e1(x， y)和 e(x， y)满足以下单调关系 : 222 )(m a x)() s l o ts l o t m e a s u r s l o ts l o 们综合 在一起，我们有以下结论引理。 引理 装置温度 插槽具有边界条件，东至以下限额的计算，只要求 :(1)原始及伴随场 何分析 域 (2)解决 s l o ts l o td e v i c el o w e rd e v i c ed e v i c e 2* ).().( )(m a x)(,).().(22*s l o ts l o ts l o ts l o td e v i c eu p p e rd e v i c ed e v i c em e a s u r h e
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