-帕萨特b5空调制冷系统及维修

PAGE42帕萨特B5空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B5汽车空调电路控制原理不制冷故障分析维修目录第一章绪论…………………第二章汽车空调的基本概述………………2.1空调的功用………………………2.2制冷原理…………2.3汽车空调的特点…………………第三章汽车空调的结构组成与工作原理…………………3.1汽车空调系统的部件构成………3.1.1压缩机…………3.1.2冷凝器…………3.1.3膨胀阀…………3.1.4蒸发器…………3.1.5储液干燥器……………………3.2汽车空调制冷系统的工作原理…………………3.2.1压缩过程………………………3.2.2放热过程………………………3.2.3节流过程………………………3.2.4吸热过程………………………第四章帕萨特B5轿车空调故障诊断与排除……4.1故障诊断方法…………………….24.1.34.2故障排除………………………第五章小结…………………结束语………………致谢……………………参考文献………………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R134a制冷剂正在逐渐取代R12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B5GSi型轿车空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B5是德国大众汽车公司的帕萨特品牌轿车的第五代车型。2000年，上海大众汽车有限公司生产的帕萨特B5正式投放中国市场，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B5加长100mm，宽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B5进行大的改进，并取了一个别名：领驭。也被人戏称为：帕萨特B5.5。帕萨特B5矩形的车灯，整齐的进气隔栅，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B5，应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。\o"查看图片"

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。第二章汽车空调的基本概述2.1空调的功用冷却、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2.1所示）。图2.1汽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）。2.2制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2.1所示。图2.2汽车空调制冷原理汽车空调制冷系统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。2.3汽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。第三章汽车空调的结构组成与工作原理3.1汽车空调系统的部件构成此处省略

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扣扣：九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩3.1.2冷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3.2所示）。图3.2冷凝器的结构3.1.3膨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3.3所示）。(a)A型(b)E型(c)J型图3.3膨胀阀的类型3.1.4蒸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。3.1.5储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。3.2汽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3.4所示)，每一循环需进行四个基本过程。3.2.1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。3.2.2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；3.2.3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；3.2.4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3.4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。第五章帕萨特B5轿车空调故障诊断与排除4.1故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。4.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。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4.1所示)。图4.1储液干燥器视液窗(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。(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。4.1、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）。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。(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8-10Kg的力垂直压皮带松边，最大位移为8-10mm为宜。(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2mm，必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。4.1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1800rpm环境温度30–35℃蒸发风机高速温度控制最冷正常压力低压(0.15-0.25Mpa)或（1.5－2.5Kgf/cm²）或(21.77－36.28PSI)高压(1.37-1.57Mpa)或（14－16Kgf/cm²）或(198.84－227.87PSI)注意：空调系统运转前，高压和低压两端的压力均为：0.5-0.8MPa（5–8kg/cm2）1Mpa=145.14Psi1Psi=0.00689Mpa备注：高压力开关（OFF0.06Mpa、ON0.18Mpa），低压力开关（OFF2.65Mpa、ON2.00Mpa），高低压压力开关（HP2.65Mpa、LP0.196Mpa）4.2故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220kPa，高压表显示系统高压逐渐上升至2000kPa保持不动，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/min不变，发现系统高压逐渐上升至250kPa，用手触摸低压管路，管路冰凉，系统低压约200kPa，说明空调压缩机工作性能良好。在起动帕萨特B5GSi轿车的空调过程中，我们发现系统高压压力到了正常值2000kPa后，还仍然上升至2700kPa。此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R134a制冷剂，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/min左右时，测试系统压力，高压基本保持在1800kPa，压力正常，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T2b是否来电，用万用表的直流电压档测T2b/1和搭是否有电压，当测量此电压为12.5V，该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4.2所示)分析得知：由于冷凝器太脏，系统高压高于1600kPa后，风扇高速工作，系统压力长时间高于1600kPa，压力开关F129触点3～4接通，风扇高速继电器J280吸合，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T2b接触不良，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3200kPa左右。图4.2上海帕萨特B5GSi轿车空调系统电路简图E35—A/C开关；F38—环境温度开关；F129—双压力开关；N25—压缩机电磁离合器；N39—散热风扇变速电阻；V7—散热电动风扇；J220—发动机控制单元；J314—空调压缩机切断继电器；J26—散热风扇继电器；J279—散热风扇继电器，低速；J280—散热风扇继电器，高速；J285—组合仪表；T2b—散热风扇插接头，双针，棕色图4.3上海帕萨特B5GSi轿车空调控制示意图当空调系统压力高于3140kPa时，压力开关F129的1～2的触点断开，这样空调切断，继电J314切断压缩机电磁离合。N25电源迫使空调停止工作(如图4.3所示)，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。第五章小结本论文主要描述了上海帕萨特B5GSi型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B5GSi型轿车空调的作用、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。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。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。参考文献[1]林钢主编..汽车空调原理及维修.北京.北京大学出版社.2008年[2]王运明主编.实习空调技术.广东.广东科技出版社.1995年[3]陈盛象主编.汽车电气设备修理.北京.机械工业出版社.1999年[4]范爱民主编.汽车空调结构原理与维修.北京.机械工业出版社,2009年[5]陈家瑞主编.汽车构造.北京.人民交通出版社.1993年[6]舒华、姚国平主编.汽车电器设备与维修.北京.北京理工大学出版社.2007年[7]王世刚主编.初级汽车维修工.北京.机械工业出版社.2007年[8]吴基安主编.汽车电工自学读本.北京.金盾出版社.1994年附录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SankaraHariGopalakrishnan，KrishnanSuresh机械工程系，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CAD模型中的程序，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scalar偏微分方程，以证实他的理论。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。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-Morrison和woodbury公式。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。拟议的方法3.1问题阐述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(pde):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Ω如图2所示。图2二维热座装配热量q从一个线圈置于下方位置列为Ωcoil。半导体装置位于Ωdevice。这两个地方都属于Ω，有相同的材料属性，其余Ω将在后面讨论。特别令人感兴趣的是数量，加权温度Tdevice内Ωdevice(见图2)。一个时段，认定为Ωslot缩进如图2，会受到抑制，其对Tdevice将予以研究。边界的时段称为Γslot其余的界线将称为Γ。边界温度Γ假定为零。两种可能的边界条件Γslot被认为是:(a)固定热源，即(-kt)ˆn=q，(b)有一定温度，即T=Tslot。两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K导热。然后，散热问题可以通过泊松方程式表示:其中H(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3defeatured二维热传导装配模块现在有一个不同的边值问题，不同领域t(x，y):观察到的插槽的边界条件为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tdevice和t(x，y)的值，估计Tdevice。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Tdevice。这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Tdevice将取决于它们的相对位置。3.2伴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〕: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3.1已知和未知装置温度的区别，即(Tdevice-tdevice)可以归纳为以下的边界积分比几何分析插槽:在上述引理中有两点值得注意:1、积分只牵涉到边界гslot;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[-k(T-t)]ˆn;这是一个已知数量边界条件[-kt]ˆn所指定的时段，未知狄里克莱条件作出规定[-kt]ˆn可以评估。在另一方面，在第二个周期内涉及的差异，在这两个领域，即T管;因为t可以评价，这是一个已知数量边界条件T指定的时段。因此。引理3.2、差额(tdevice-tdevice)不等式然而，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。3.3单调性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: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(Tdevice-tdevice)，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:因为只取决于缝隙，不讨论域，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3.3。这两个领域e1(x，y)和e(x，y)满足以下单调关系:把它们综合在一起，我们有以下结论引理。引理3.4未知的装置温度Tdevice，当插槽具有边界条件，东至以下限额的计算，只要求:(1)原始及伴随场T和隔热与几何分析域(2)解决e1的一项问题涉及插槽:观察到两个方向的右侧，双方都是独立的未知区域T(x，y)。例(b)插槽Dirichlet边界条件我们假定插槽都维持在定温Tslot。考虑任何领域，即包含域和插槽。界定一个区域e(x，y)在满足:现在建立一个结果与e-(x，y)及e(x，y)。引理3.5注意到，公式(7)的计算较为简单。这是我们最终要的结果。引理3.6未知的装置温度Tdevice，当插槽有Dirichlet边界条件，东至以下限额的计算，只要求:(1)原始及伴随场T和隔热与几何分析。(2)围绕插槽解决失败了的边界问题，:再次观察这两个方向都是独立的未知领域T(x，y)。数值例子说明我们的理论发展，在上一节中，通过数值例子。设k=5W/m−C,Q=10W/m3andH=。表1:结果表表1给出了不同时段的边界条件。第一装置温度栏的共同温度为所有几何分析模式(这不取决于插槽边界条件及插槽几何分析)。接下来两栏的上下界说明引理3.4和3.6。最后一栏是实际的装置温度所得的全功能模式(前几何分析)，是列在这里比较前列的。在全部例子中，我们可以看到最后一栏则是介于第二和第三列。TTdeviceT对于绝缘插槽来说，Dirichlet边界条件指出，观察到的各种预测为零。不同之处在于这个事实:在第一个例子，一个零Neumann边界条件的时段，导致一个自我平衡的特点，因此，其对装置基本没什么影响。另一方面，有Dirichlet边界条件的插槽结果在一个非自我平衡的特点，其缺失可能导致器件温度的大变化在。不过，固定非零槽温度预测范围为20度到0度。这可以归因于插槽温度接近于装置的温度，因此，将其删除少了影响。的确，人们不难计算上限和下限的不同Dirichlet条件插槽。图4说明了变化的实际装置的温度和计算式。预测的上限和下限的实际温度装置表明理论是正确的。另外，跟预期结果一样，限制槽温度大约等于装置的温度。快速分析设计的情景我们认为对所提出的理论分析"什么-如果"的设计方案，现在有着广泛的影响。研究显示设计如图5，现在由两个具有单一热量能源的器件。如预期结果两设备将不会有相同的平均温度。由于其相对靠近热源，该装置的左边将处在一个较高的温度，。图4估计式versus插槽温度图图5双热器座图6正确特征可能性位置为了消除这种不平衡状况，加上一个小孔，固定直径;五个可能的位置见图6。两者的平均温度在这两个地区最低。强制进行有限元分析每个配置。这是一个耗时的过程。另一种方法是把该孔作为一个特征，并研究其影响，作为后处理步骤。换言之，这是一个特殊的“几何分析”例子，而拟议的方法同样适用于这种情况。我们可以解决原始和伴随矩阵的问题，原来的配置(无孔)和使用的理论发展在前两节学习效果加孔在每个位置是我们的目标。目的是在平均温度两个装置最大限度的差异。表2概括了利用这个理论和实际的价值。从上表可以看到，位置W是最佳地点，因为它有最低均值预期目标的功能。附录II外文文献原文Aformaltheoryforestimatingdefeaturing-inducedengineeringanalysiserrorsSankaraHariGopalakrishnan,KrishnanSureshDepartmentofMechanicalEngineering,UniversityofWisconsin,Madison,WI53706,UnitedStates

Received13January2006;accepted30September2006DefeaturingdefeaturingdefeaturingdefeaturingKeywords:Defeaturing;Engineeringanalysis;Errorestimation;CAD/CAE1.IntroductionMechanicalartifactstypicallycontainnumerousgeometricfeatures.However,notallfeaturesarecriticalduringandcomputationalspeed-up.Forexample,considerabrakerotorillustratedinFig.1(a).Therotorcontainsover50distinct‘features’,butnotallofthesearerelevantduring,say,athermalanalysis.AdefeaturedbrakerotorisillustratedinFig.1(b).Whilethefiniteelementanalysisofthefull-featuredmodelinFig.1(a)requiredover150,000degreesoffreedom,thedefeaturedmodelinFig.1(b)required<25,000DOF,leadingtoasignificantcomputationalspeed-up.Fig.1.(a)Abrakerotorand(b)itsdefeaturedversion.Besidesanimprovementinspeed,thereisusuallyanincreasedlevelofautomationinthatitiseasiertoautomatefiniteelementmeshgenerationofadefeaturedcomponent[1,2].Memoryrequirementsalsodecrease,whileconditionnumberofthediscretizedsystemimproves;thelatterplaysanimportantroleiniterativelinearsystemsolvers[3].Defeaturing,however,invariablyresultsinanunknown‘perturbation’oftheunderlyingfield.Theperturbationmaybe‘smallandlocalized’or‘largeandspread-out’,dependingonvariousfactors.Forexample,inathermalproblem,supposeonedeletesafeature;theperturbationislocalizedprovided:(1)thenetheatfluxontheboundaryofthefeatureiszero,and(2)nonewheatsourcesarecreatedwhenthefeatureissuppressed;see[4]forexceptionstotheserules.Physicalfeaturesthatexhibitthispropertyarecalledself-equilibrating[5].Similarlyresultsexistforstructuralproblems.Fromadefeaturingperspective,suchself-equilibratingfeaturesarenotofconcernifthefeaturesarefarfromtheregionofinterest.However,onemustbecautiousifthefeaturesareclosetotheregionsofinterest.Ontheotherhand,non-self-equilibratingfeaturesareofevenhigherconcern.Theirsuppressioncantheoreticallybefelteverywherewithinthesystem,andcanthusposeamajorchallengeduringanalysis.Currently,therearenosystematicproceduresforestimatingthepotentialimpactofdefeaturingineitheroftheabovetwocases.Onemustrelyonengineeringjudgmentandexperience.Inthispaper,wedevelopatheorytoestimatetheimpactofdefeaturingonengineeringanalysisinanautomatedfashion.Inparticular,wefocusonproblemswherethefeaturesbeingsuppressedarecutoutsofarbitraryshapeandsizewithinthebody.Twomathematicalconcepts,namelyadjointformulationandmonotonicityanalysis,arecombinedintoaunifyingtheorytoaddressbothself-equilibratingandnon-self-equilibratingfeatures.Numericalexamplesinvolving2ndorderscalarpartialdifferentialequationsareprovidedtosubstantiatethetheory.Theremainderofthepaperisorganizedasfollows.InSection2,wesummarizepriorworkondefeaturing.InSection3,weaddressdefeaturinginducedanalysiserrors,anddiscusstheproposedmethodology.ResultsfromnumericalexperimentsareprovidedinSection4.Aby-productoftheproposedworkonrapiddesignexplorationisdiscussedinSection5.Finally,conclusionsandopenissuesarediscussedinSection6.2.PriorworkThedefeaturingprocesscanbecategorizedintothreephases:Identification:whatfeaturesshouldonesuppress?Suppression:howdoesonesuppressthefeatureinanautomatedandgeometricallyconsistentmanner?Analysis:whatistheconsequenceofthesuppression?Thefirstphasehasreceivedextensiveattentionintheliterature.Forexample,thesizeandrelativelocationofafeatureisoftenusedasametricinidentification[2,6].Inaddition,physicallymeaningful‘mechanicalcriterion/heuristics’havealsobeenproposedforidentifyingsuchfeatures[1,7].Toautomatethegeometricprocessofdefeaturing,theauthorsin[8]developasetofgeometricrules,whiletheauthorsin[9]usefaceclusteringstrategyandtheauthorsin[10]useplanesplittingtechniques.Indeed,automatedgeometricdefeaturinghasmaturedtoapointwherecommercialdefeaturing/healingpackagesarenowavailable[11,12].Butnotethatthesecommercialpackagesprovideapurelygeometricsolutiontotheproblem...theymustbeusedwithcaresincetherearenoguaranteesontheensuinganalysiserrors.Inaddition,opengeometricissuesremainandarebeingaddressed[13].Thefocusofthispaperisonthethirdphase,namely,postdefeaturinganalysis,i.e.,todevelopasystematicmethodologythroughwhichdefeaturing-inducederrorscanbecomputed.Weshouldmentionheretherelatedworkonreanalysis.Theobjectiveofreanalysisistoswiftlycomputetheresponseofamodifiedsystembyusingprevioussimulations.OneofthekeydevelopmentsinreanalysisisthefamousSherman–MorrisonandWoodburyformula[14]thatallowstheswiftcomputationoftheinverseofaperturbedstiffnessmatrix;othervariationsofthisbasedonKrylovsubspacetechniqueshavebeenproposed[15–17].Suchreanalysistechniquesareparticularlyeffectivewhentheobjectiveistoanalyzetwodesignsthatsharesimilarmeshstructure,andstiffnessmatrices.Unfortunately,theprocessof几何分析canresultinadramaticchangeinthemeshstructureandstiffnessmatrices,makingreanalysistechniqueslessrelevant.Arelatedproblemthatisnotaddressedinthispaperisthatoflocal–globalanalysis[13],wheretheobjectiveistosolvethelocalfieldaroundthedefeaturedregionaftertheglobaldefeaturedproblemhasbeensolved.Animplicitassumptioninlocal–globalanalysisisthatthefeaturebeingsuppressedisself-equilibrating.3.Proposedmethodology3.1.ProblemstatementWerestrictourattentioninthispapertoengineeringproblemsinvolvingascalarfieldugovernedbyageneric2ndorderpartialdifferentialequation(PDE):Alargeclassofengineeringproblems,suchasthermal,fluidandmagneto-staticproblems,maybereducedtotheaboveform.Asanillustrativeexample,considerathermalproblemoverthe2-Dheat-blockassemblyΩillustratedinFig.2.TheassemblyreceivesheatQfromacoilplacedbeneaththeregionidentifiedasΩcoil.AsemiconductordeviceisseatedatΩdevice.ThetworegionsbelongtoΩandhavethesamematerialpropertiesastherestofΩ.Intheensuingdiscussion,aquantityofparticularinterestwillbetheweightedtemperatureTdevicewithinΩdevice(seeEq.(2)below).Aslot,identifiedasΩslotinFig.2,willbesuppressed,anditseffectonTdevicewillbestudied.TheboundaryoftheslotwillbedenotedbyΓslotwhiletherestoftheboundarywillbedenotedbyΓ.TheboundarytemperatureonΓisassumedtobezero.TwopossibleboundaryconditionsonΓslotareconsidered:(a)fixedheatsource,i.e.,(-krT).ˆn=q,or(b)fixedtemperature,i.e.,T=Tslot.Thetwocaseswillleadtotwodifferentresultsfordefeaturinginducederrorestimation.Fig.2.A2-Dheatblockassembly.Formally,letT(x,y)betheunknowntemperaturefieldandkthethermalconductivity.Then,thethermalproblemmaybestatedthroughthePoissonequation[18]:GiventhefieldT(x,y),thequantityofinterestis:whereH(x,y)issomeweightingkernel.Nowconsiderthedefeaturedproblemwheretheslotissuppressedpriortoanalysis,resultinginthesimplifiedgeometryillustratedinFig.3.Fig.3.Adefeatured2-Dheatblockassembly.Wenowhaveadifferentboundaryvalueproblem,governingadifferentscalarfieldt(x,y):Observethattheslotboundaryconditionfort(x,y)hasdisappearedsincetheslotdoesnotexistanymore…acrucialchange!Theproblemaddressedhereis:Giventdeviceandthefieldt(x,y),estimateTdevicewithoutexplicitlysolvingEq.(1).Thisisanon-trivialproblem;tothebestofourknowledge,ithasnotbeenaddressedintheliterature.Inthispaper,wewillderiveupperandlowerboundsforTdevice.TheseboundsareexplicitlycapturedinLemmas3.4and3.6.Fortheremainderofthissection,wewilldeveloptheessentialconceptsandtheorytoestablishthesetwolemmas.Itisworthnotingthattherearenorestrictionsplacedonthelocationoftheslotwithrespecttothedeviceortheheatsource,provideditdoesnotoverlapwitheither.TheupperandlowerboundsonTdevicewillhoweverdependontheirrelativelocations.3.2.AdjointmethodsThefirstconceptthatwewouldneedisthatofadjointformulation.Theapplicationofadjointargumentstowardsdifferentialandintegralequationshasalonganddistinguishedhistory[19,20],includingitsapplicationsincontroltheory[21],shapeoptimization[22],topologyoptimization,etc.;see[23]foranoverview.Wesummarizebelowconceptsessentialtothispaper.AssociatedwiththeproblemsummarizedbyEqs.(3)and(4),onecandefineanadjointproblemgoverninganadjointvariabledenotedbyt_(x,y)thatmustsatisfythefollowingequation[23]:(SeeAppendixAforthederivation.)Theadjointfieldt_(x,y)isessentiallya‘sensitivitymap’ofthedesiredquantity,namelytheweighteddevicetemperaturetotheappliedheatsource.Observethatsolvingtheadjointproblemisonlyascomplexastheprimalproblem;thegoverningequationsareidentical;suchproblemsarecalledself-adjoint.Mostengineeringproblemsofpracticalinterestareself-adjoint,makingiteasytocomputeprimalandadjointfieldswithoutdoublingthecomputationaleffort.Forthedefeaturedproblemonhand,theadjointfieldplaysacriticalroleasthefollowinglemmasummarizes:Lemma3.1.Thedifferencebetweentheunknownandknowndevicetemperature,i.e.,(Tdevice−tdevice),canbereducedtothefollowingboundaryintegraloverthedefeaturedslot:Twopointsareworthnotingintheabovelemma:1.TheintegralonlyinvolvestheslotboundaryГslot;thisisencouraging…perhaps,errorscanbecomputedbyprocessinginformationjustoverthefeaturebeingsuppressed.2.TherighthandsidehoweverinvolvestheunknownfieldT(x,y)ofthefull-featuredproblem.Inparticular,thefirstterminvolvesthedifferenceinthenormalgradients,i.e.,involves[−k(T−t)].ˆn;thisisaknownquantityifNeumannboundaryconditions[−kT].ˆnareprescribedovertheslotsince[−kt].ˆncanbeevaluated,butunknownifDirichletconditionsareprescribed.Ontheotherhand,thesecondterminvolvesthedifferenceinthetwofields,i.e.,involves(T−t);thisisaknownquantityifDirichletboundaryconditionsTareprescribedovertheslotsincetcanbeevaluated,butunknownifNeumannconditionsareprescribed.Thus,inbothcases,oneofthetwotermsgets‘evaluated’.Thenextlemmaexploitsthisobservation.Lemma3.2.Thedifference(Tdevice−tdevice)satisfiestheinequalitiesUnfortunately,thatishowfaronecangowithadjointtechniques;onecannotentirelyeliminatetheunknownfieldT(x,y)fromtherighthandsideusingadjointtechniques.InordertoeliminateT(x,y)weturnourattentiontomonotonicityanalysis.3.3.MonotonicityanalysisMonotonicityanalysiswasestablishedbymathematiciansduringthe19t