Name: 流体粘性离合器摩擦片参数优化设计方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-07-22T14:10:00.000+00:00
Duration: 10 min 58 s
Description: 了解流体粘性离合器摩擦片参数优化设计方法，结合响应面法与数值分析软件，实现高扭矩传递并降低油膜温度，为机械工程与流体动力学研究提供高效设计框架。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本工作得到了中国湖南省教育厅科研基金（23A0620）、中国湖南省自然科学基金区域联合基金项目（2025JJ70310）以及江苏理工学院研究生实践创新计划（XSJCX24_44）的资助。

注意：设计方案的技术路线如图1所示，主要包括模型建立、模拟分析和参数优化。模型建立包含两个主要类别：单因素分析所需的模型，以及在确定影响因素后根据响应面法（RSM）实验设计所衍生的模型。模型建立在 SolidWorks 中完成，模拟分析在 Fluent 中进行，参数优化在 Design-Expert 中完成。
1. 模型建立
<ol>
	<li>确定摩擦片的基本尺寸，将摩擦片的内径设为 110 mm，外径设为 160 mm，油膜厚度设为 0.3 mm。</li>
	<li>在 XY 平面上创建一个内径为 110 mm、外径为 160 mm 的圆形草图，然后将其拉伸 0.3 mm，建立基础模型。确保生成的环形结构形成一个无油槽的油膜模型。</li>
	<li>在环形模型的一个侧面上创建草图 2，绘制 5 个均匀分布、宽度为 3 mm 的圆形面，然后将其拉伸 0.3 mm。通过周向油槽形成具有矩形截面的油膜。</li>
	<li>在 YZ 平面上创建草图 3，绘制一段弧长为 3 mm 的半圆弧，使其与周向油槽形成的油膜相切，然后沿径向将其拉伸至油膜的外表面，并沿内环周向阵列该实体，形成 14 个部件。</li>
	<li>在 XY 平面上创建草图 4，绘制一个半径为 110&#160;mm 的圆，然后利用该草图切除多余模型，完成 14 个径向半圆形油槽油膜的建立。</li>
	<li>将建立的模型保存为由原始油槽参数形成的油膜几何模型。</li>
	<li>修改草图 2，绘制 3 至 7 条均匀分布的周向油槽，每条宽度为 3 mm，生成五个仅在周向油槽上有所不同的油膜模型。将这些模型以 STEP 格式保存。</li>
	<li>修改草图 3，将半圆弧的弧长调整为 3 至 6 mm，每次增加 0.5 mm，生成七个仅在径向半圆结构上有所不同的油膜模型。将这些模型以 STEP 格式保存。</li>
	<li>通过调整草图 2 的拉伸厚度至 0.1–0.4 mm，每次增加 0.05 mm，生成七个仅在油槽深度上有所不同的油膜模型。将这些模型以 STEP 格式保存。</li>
	<li>调整草图 3 中的周向阵列数量，将径向油槽数量修改为 10 至 16，生成七个仅在径向油槽数量上有所不同的油膜模型。将这些模型以 STEP 格式保存。</li>
</ol>
2. 模拟分析
注意：仿真分析包括模型预处理、网格划分和仿真计算。所有步骤均在 ANSYS Workbench 中完成。
<ol>
	<li>模型预处理
	<ol>
		<li>打开 Workbench 工作站，将 Toolbox &#62; Component Systems &#62; Geometry 中的几何体拖入项目示意图区域。</li>
		<li>右键单击 Geometry，选择 Import Geometry Model 以导入已完成的模型，然后单击在 Space Claim 中编辑几何模型。</li>
		<li>在 Space Claim 工具栏中，单击 Repair，然后选择 Additional Edges 和 Split Edges to complete the repair，合并受影响的分割线。</li>
		<li>依次单击 Toolbar &#62; Design &#62; Selection 中的 Selection，选择模型的内表面，并在组中单击 Create NS，将其命名为 入口。</li>
		<li>使用相同流程，单击 外表面 并将其命名为 出口；单击光滑的下壁面并将其命名为 B，作为油膜与被动摩擦片接触的壁面；选择所有未命名的表面并将其命名为 Z，作为油膜与主动摩擦片接触的旋转壁面。</li>
		<li>退出 Space Claim 并保存文件，完成模型的预处理。 
		注：所有仿真前的几何模型预处理均按上述步骤完成。唯一不同之处在于主动壁面模型不一致，但这不影响任何操作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>网格划分
	<ol>
		<li>在 Workbench 工作站中，将 Toolbox &#62; Component Systems > Fluent 中的 Fluent 拖入已添加几何体的项目示意图区域。</li>
		<li>单击 Geometry ，并将鼠标拖动至 Fluent&#160; 项目中的网格，以将其 Mesh Module 链接到几何体的 Upstream Data。</li>
		<li>双击打开网格，选择 Watertight Geometry 进行网格划分。按照工作流程逐步导入几何模型并添加 Local Sizing。</li>
		<li>单击 Generate Surface Mesh，将 最小尺寸 设为 0.3 mm，最大尺寸 设为 8 mm，曲率法向角 设为 10。设置完成后，单击 Generate the Surface Mesh。</li>
		<li>通过右键单击生成的表面网格并选择 Insert Improved Surface Mesh Quality 来检查表面网格质量。将 最小网格质量 设为 0.7，单击 确定 以完成表面网格的优化。</li>
		<li>单击 Describe Geometry Model，选择几何模型仅由流体区域组成且无间隙，其余选项保持默认设置。</li>
		<li>依次单击 Describe Geometry Structure 和 Update Region Type Settings，保持默认设置并完成该过程。</li>
		<li>单击 Add Boundary Layer，选择层数为 3，其余设置保持默认。</li>
		<li>单击 Generate Volume Mesh，并插入 Improved Volume Mesh Quality 以确保其质量超过 0.12。 
		注：完成的网格划分如 补充图1 所示。</li>
		<li>生成网格后，单击 Switch to the Solver Mode。等待网格划分完成并导入分析模块。 
		注：网格单元的数量和质量对计算结果的准确性至关重要。使用 Watertight geometry 通过改变单元尺寸来控制网格的数量和质量。如 图2 所示，将指定的最小网格单元尺寸从 0.8 mm 减小到 0.1 mm，单元数量从 534,595 增加到 2,649,371。随着单元数量的变化，油膜的平均温度和传递扭矩结果保持稳定，表明进一步提高网格质量对结果影响极小。因此，选择 0.3 mm 作为最小单元尺寸进行网格划分。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>仿真求解
	<ol>
		<li>从 网格划分 切换到 Solver Mode。网格加载完成后，在 General 菜单中单击 Check Case，以验证有限元模型的有效性，并检查网格是否存在负体积。</li>
		<li>在模型设置中启用 能量方程 。进入黏性模型设置界面，选择 层流模型，并启用 黏性加热 选项。 
		&#8203;注：黏性模型的选择由油膜流场的流动状态决定，通常通过雷诺数进行评估。当雷诺数较低时，流体微团不受扰动，形成层流；反之，高雷诺数表明流体间的扰动被放大，使层流转变为湍流。基于旋转圆盘周围的流动理论，外半径处切向速度对应的雷诺数可通过公式 Re = R2ω/v 计算。其中 Re 为雷诺数，R 为摩擦片外径，ω 为摩擦片转速，v 为运动黏度。当 Re &#60; 1 × 105 时，流动为层流；当 2 × 105 &#60; Re &#60; 3 × 105 时，流动为湍流。对于本文研究的流体，v = 30 mm2/s，R = 160 mm，可推导出：当摩擦片转速 ω = 1000 rpm 时，油膜流场的雷诺数 Re &#60; 1 × 105，表明油膜处于层流状态。</li>
		<li>根据 表1 所列两种材料的属性修改设置中的材料参数。修改系统中名为 &#34;Air&#34; 的液体材料参数，对于固体材料，修改名为 &#34;Aluminum.&#34; 
		注：液体将选用液压 油#8 作为油膜材料，固体将选用 铜基材料 作为摩擦片材料。</li>
		<li>单击 边界条件，选择名为 &#34;Z,&#34; 的主动摩擦片壁面，进入 动量 设置，将其设为绕 Y轴 以 100 rad/s 旋转的旋转壁面，剪切条件为 无滑移。</li>
		<li>单击 边界条件，选择名为 &#34;B,&#34; 的被动摩擦片壁面，进入 动量设置，将其设为静止壁面，剪切条件为 无滑移。</li>
		<li>通过 系统耦合 设置与能量传递相关的边界条件。</li>
		<li>通过单击 出口 并将其设置为 压力出口 来设置出口边界条件，表压 设为 0，对应标准大气压。</li>
		<li>通过单击入口设置入口边界条件，将其设为 速度入口，流速为 1 m/s，入口温度为 30 °C。</li>
		<li>单击 求解 设置，选择 SIMPLE 算法作为求解方法模型。对 动量 和 能量 选择 一阶迎风 格式，残差值保持默认设置。</li>
		<li>完成上述步骤后，设置计算域在初始时刻的状态，例如初始温度为 26 °C，压力为 0 Pa，XYZ 方向的速度均设为 0。</li>
		<li>将 迭代次数 设为 300 步，单击 计算 按钮开始计算，并等待结果。</li>
		<li>迭代计算完成后，单击 结果 &#62; 报告 &#62; 通量。在 通量 中选择 质量流量 ，检查 入口 和 出口 的质量流量，确保两者误差小于 0.1%，以验证计算结果的准确性。</li>
		<li>完成上述步骤后，分析仿真结果。单击 结果 &#62; 报告 &#62; 力，选择壁面 B 绕 Y 轴的扭矩，将得到的黏性值解释为油膜传递的剪切扭矩。</li>
		<li>退出流体流动计算模块，在 Workbench 工作站中，将 Toolbox &#62; Component Systems &#62; Results 中的 Results 拖入已完成流体流动仿真计算的项目示意图区域。单击流体流动模块中的解，并将鼠标拖动至结果模块。</li>
		<li>进入结果模块，单击 计算器，选择 函数计算器，求解整个油膜的 平均温度。单击 计算 以获得油膜的整体平均温度。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 参数优化
注意：参数优化采用响应面法进行建模与分析。响应面法要求选择三个对油膜传递扭矩和温度有显著影响的因素，并确定其高水平值和低水平值。随后，基于所选影响因素和变量生成的新组合进行建模与分析，并利用所得数据进行优化计算。
<ol>
	<li>在 Design-Expert 软件中，点击 NEW DESIGN 以创建新设计。</li>
	<li>在新设计中，从 Response Surface 选择 BOX-Behnken，建立一个三因素、两水平的优化模型。</li>
	<li>点击 Numeric Factors 选择三个因素：摩擦片上径向油槽的数量、油槽深度以及油槽的弧长，并填写相应的表格。</li>
	<li>将三个影响因素分析所得的 High 和 Low 水平值输入对应的表格中。</li>
	<li>将每一块的 Center points 设置为 5，然后点击下一步，将 Response Variables 更改为 2，分别为油膜传递的扭矩和油膜的平均温度。点击 Finish 生成 17 组随机样本点。</li>
	<li>通过从 17 组随机样本点中重新组合三个影响因素来建立模型数据，并重复第 1 节以完成模型建立。</li>
	<li>重复第 2 节进行仿真分析，获得重组后的油膜传递扭矩和平均温度。将三个影响因素组合的预测变量 A、B 和 C 与传递扭矩和平均温度的仿真结果合并，形成新的变量表。</li>
	<li>接下来，在模型中选择 Process Order 为 Quadratic，并选择 Model Type 为 Polynomial，其余设置保持默认。</li>
	<li>完成响应面模型的建立后，计算扭矩和平均温度。</li>
	<li>分析完成后，对模型进行误差分析。点击 Analysis of Variance（ANOVA），分析 Fit Statistics 中 R² 和 Adeq Precision 的数值，以验证模型是否符合标准。</li>
	<li>点击 Optimization &#62; Numerical &#62; Criteria，保持三个影响因素的范围不变。点击 Solutions 以查找近似值中的最大扭矩和最小平均温度。</li>
	<li>计算各数组的不同结果，其中标记为 1 的组合为该模型的最优解。</li>
</ol>

<ol><li>Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+liquid+viscous+soft+start+device+in+coal+mine+belt+conveyor%5BTitle%5D)+AND+%22Inverter+World%22%5BJournal%5D)">Application of liquid viscous soft start device in coal mine belt conveyor.</a> Inverter World. 11, 118-123 (2018).</li>
<li>Yan, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Research+and+application+of+safety+protection+device+for+coal+mine+belt+conveyor%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Energy+Saving%22%5BJournal%5D)">Research and application of safety protection device for coal mine belt conveyor.</a> Energy Energy Saving. 2, 137-138 (2016).</li>
<li>Duan, X., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analysis+of+speed+regulation+and+energy+saving+methods+for+high-power+fans+and+pumps%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Saving%22%5BJournal%5D)">Comparative analysis of speed regulation and energy saving methods for high-power fans and pumps.</a> Energy Saving. 5, 28-31 (2012).</li>
<li>Wei, C., Zhao, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWei%2C+C+%22Liquid+Viscous+Transmission+Technology%22">Liquid Viscous Transmission Technology</a>. , National Defense Industry. Beijing. (1996).</li>
<li>Gu, Z., Yang, Q., Xu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+and+comparison+of+advantages+and+disadvantages+of+liquid+viscous+speed-regulating+clutch+and+hydraulic+coupling%5BTitle%5D)+AND+%22Mod+Manufact+Technol+Equip%22%5BJournal%5D)">Analysis and comparison of advantages and disadvantages of liquid viscous speed-regulating clutch and hydraulic coupling.</a> Mod Manufact Technol Equip. 6, 28-31 (2006).</li>
<li>Xie, F., Hou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oil+film+pressure+field+between+deformed+friction+pairs+in+liquid+viscous+transmission%5BTitle%5D)+AND+%22Constr+Machinery%22%5BJournal%5D)">Oil film pressure field between deformed friction pairs in liquid viscous transmission.</a> Constr Machinery. 42 (2), 41-44 (2011).</li>
<li>Meng, Q., Hou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+friction+disc+surface+groove+on+speed-regulating+start%5BTitle%5D)+AND+%22Ind+Lubr+Tribol%22%5BJournal%5D)">Effects of friction disc surface groove on speed-regulating start.</a> Ind Lubr Tribol. 61 (6), 325-331 (2009).</li>
<li>Jen, T. C., Nemecek, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+analysis+of+a+wet-disk+clutch+subjected+to+a+constant+energy+engagement%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Heat+Mass+Transf%22%5BJournal%5D)">Thermal analysis of a wet-disk clutch subjected to a constant energy engagement.</a> Int J Heat Mass Transf. 51 (7-8), 1757-1769 (2008).</li>
<li>Cui, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+and+mechanical+characteristics+analysis+of+radial+groove+friction+discs+in+liquid+viscous+clutches%5BTitle%5D)+AND+%22Mech+Transmission%22%5BJournal%5D)">Thermal and mechanical characteristics analysis of radial groove friction discs in liquid viscous clutches.</a> Mech Transmission. 5, 77-81 (2018).</li>
<li>Yang, X., Bao, H., Zhang, W. Z. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+groove+type+on+friction+coefficient+of+wet+friction+clutch+pair%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Automot+Technol%22%5BJournal%5D)">Influence of groove type on friction coefficient of wet friction clutch pair.</a> Int J Automot Technol. 25 (1), 13-21 (2024).</li>
<li>Tan, W., Chen, Z., Li, Z. Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal-fluid-solid+coupling+simulation+and+oil+groove+structure+optimization+of+wet+friction+clutch+for+high-speed+helicopter%5BTitle%5D)+AND+%22Machines%22%5BJournal%5D)">Thermal-fluid-solid coupling simulation and oil groove structure optimization of wet friction clutch for high-speed helicopter.</a> Machines. 11 (2), 296(2023).</li>
<li>Al-Sahb, W. A., Abdullah, O. I. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAl-Sahb%2C+WA+%22A+Three-Dimensional+Finite+Element+Analysis+for+Grooved+Friction+Clutches%22">A Three-Dimensional Finite Element Analysis for Grooved Friction Clutches</a>. , SAE Technical Paper. (2015).</li>
<li>Jang, J. Y., Khonsari, M. M., Maki, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+thermos+hydrodynamic+analysis+of+a+wet+clutch+with+consideration+of+grooved+friction+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22J+Tribol%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional thermos hydrodynamic analysis of a wet clutch with consideration of grooved friction surfaces.</a> J Tribol. 133, 1703(2011).</li>
<li>Li, M., Khonsari, M. M., McCarthy, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parametric+analysis+for+a+paper-based+wet+clutch+with+groove+consideration%5BTitle%5D)+AND+%22Tribol+Int%22%5BJournal%5D)">Parametric analysis for a paper-based wet clutch with groove consideration.</a> Tribol Int. 80, 222-233 (2014).</li>
<li>Miyagawa, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+simulation+of+temperature+and+torque+curve+of+multidisk+wet+clutch+with+radial+and+circumferential+grooves%5BTitle%5D)+AND+%22Tribol+Online%22%5BJournal%5D)">Numerical simulation of temperature and torque curve of multidisk wet clutch with radial and circumferential grooves.</a> Tribol Online. 4, 17-21 (2009).</li>
<li>Zheng, Y., Li, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+groove+spacing+on+surface+temperature+rise+and+stress+in+wet+clutches%5BTitle%5D)+AND+%22Coal+Mine+Mach%22%5BJournal%5D)">Effects of groove spacing on surface temperature rise and stress in wet clutches.</a> Coal Mine Mach. 40 (9), 85-87 (2019).</li>
<li>Wang, L., Li, L., Li, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+temperature+field+variation+process+on+wet+clutch+friction+interface+based+on+finite+element+method%5BTitle%5D)+AND+%22Lubr+Sealing%22%5BJournal%5D)">Analysis of temperature field variation process on wet clutch friction interface based on finite element method.</a> Lubr Sealing. 42 (1), 15-26 (2017).</li>
<li>Razzaque, M. M., Kato, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+a+groove+on+the+behavior+of+a+squeeze+film+between+a+grooved+and+a+plain+rotating+annular+disk%5BTitle%5D)+AND+%22J+Tribol%22%5BJournal%5D)">Effects of a groove on the behavior of a squeeze film between a grooved and a plain rotating annular disk.</a> J Tribol. 121 (4), 808-815 (1999).</li>
<li>Xie, F., Hou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oil+film+hydrodynamic+load+capacity+of+hydro-viscous+drive+with+variable+viscosity%5BTitle%5D)+AND+%22Ind+Lubr+Tribol%22%5BJournal%5D)">Oil film hydrodynamic load capacity of hydro-viscous drive with variable viscosity.</a> Ind Lubr Tribol. 63 (3), 210-215 (2013).</li>
<li>Tong, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluid+state+and+transmission+characteristics+of+oil+film+between+rotating+friction+pair%5BTitle%5D)+AND+%22Recent+Pat+Mech+Eng%22%5BJournal%5D)">Fluid state and transmission characteristics of oil film between rotating friction pair.</a> Recent Pat Mech Eng. 8 (1), 38-43 (2015).</li>
<li>Agarwal, R. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Research+status+and+outlook+for+oil+film+power+transmission+between+friction+pairs%5BTitle%5D)+AND+%22Recent+Pat+Mech+Eng%22%5BJournal%5D)">Research status and outlook for oil film power transmission between friction pairs.</a> Recent Pat Mech Eng. 8 (2), 154-160 (2015).</li>
<li>Zhang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+design+of+micro-texture+on+friction+surface+of+high-speed+wet+clutch%5BTitle%5D)+AND+%22Automot+Eng%22%5BJournal%5D)">Optimization design of micro-texture on friction surface of high-speed wet clutch.</a> Automot Eng. 46 (2), 320-328 (2024).</li>
<li>Zhao, S., Hilmas, G. E., Dharani, L. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+simulation+of+wear+in+a+C%2FC+composite+multi+disk+clutch%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Numerical simulation of wear in a C/C composite multi disk clutch.</a> Carbon. 47 (9), 2219-2225 (2009).</li>
<li>Xie, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+prediction+of+oil+film+shear+cavitation+inception+considering+groove+structure%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Eng+Sci%22%5BJournal%5D)">Numerical prediction of oil film shear cavitation inception considering groove structure.</a> J Mech Eng Sci. 236 (20), 16(2022).</li>
<li>Wang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+simulation+and+experimental+investigation+on+the+thermal-fluid-solid+multi-physical+field+coupling+characteristics+of+wet+friction+pairs+considering+cavitation+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Therm+Eng%22%5BJournal%5D)">Numerical simulation and experimental investigation on the thermal-fluid-solid multi-physical field coupling characteristics of wet friction pairs considering cavitation effect.</a> Appl Therm Eng. 260, 124955(2025).</li>
<li>Zheng, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+simulation+and+evaluation+of+the+oil+film+flow+field+in+hydro-viscous+drive%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Digit+Content+Technol+Its+Appl%22%5BJournal%5D)">Numerical simulation and evaluation of the oil film flow field in hydro-viscous drive.</a> Int J Digit Content Technol Its Appl. 7 (1), 764-771 (2013).</li>
<li>Cui, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+investigation+on+transient+thermal+behavior+of+multi+disk+friction+pairs+in+hydro-viscous+drive%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Therm+Eng%22%5BJournal%5D)">Numerical investigation on transient thermal behavior of multi disk friction pairs in hydro-viscous drive.</a> Appl Therm Eng. 67 (1-2), 409-422 (2014).</li>
<li>Zagrodzki, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermoelastic+instability+in+friction+clutches+and+brakes%3A+transient+modal+analysis+revealing+mechanisms+of+excitation+of+unstable+modes%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Solids+Struct%22%5BJournal%5D)">Thermoelastic instability in friction clutches and brakes: transient modal analysis revealing mechanisms of excitation of unstable modes.</a> Int J Solids Struct. 46 (11), 2463-2476 (2009).</li>
<li>Feng, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+of+an+air-based+heat+management+system+for+dusty+particulate+matter-covered+lithium-ion+battery+packs%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Optimization of an air-based heat management system for dusty particulate matter-covered lithium-ion battery packs.</a> J Vis Exp. (201), e65892(2023).</li>
<li>He, Y., Bayly, A. E., Hassanpour, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coupling+CFD-DEM+with+dynamic+meshing%3A+a+new+approach+for+fluid-structure+interaction+in+particle-fluid+flows%5BTitle%5D)+AND+%22Powder+Technol%22%5BJournal%5D)">Coupling CFD-DEM with dynamic meshing: a new approach for fluid-structure interaction in particle-fluid flows.</a> Powder Technol. 325, 620-631 (2018).</li>
<li>Zhu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((DEM+simulation+of+a+rotary+drum+with+inclined+flights+using+the+response+surface+methodology%5BTitle%5D)+AND+%22Processes%22%5BJournal%5D)">DEM simulation of a rotary drum with inclined flights using the response surface methodology.</a> Processes. 11 (5), 1363(2023).</li>
<li>Ballester-Ripoll, R., Leonelli, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Global+sensitivity+analysis+of+uncertain+parameters+in+Bayesian+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Approx+Reasoning%22%5BJournal%5D)">Global sensitivity analysis of uncertain parameters in Bayesian networks.</a> Int J Approx Reasoning. 180, 109368(2025).</li>
<li>Chen, J., Yu, J., Gong, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+multi-physics+coupled+method+for+the+temperature+field+of+dry+clutch+assembly%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Sci%22%5BJournal%5D)">A new multi-physics coupled method for the temperature field of dry clutch assembly.</a> Appl Sci. 13 (20), 11165(2023).</li>
</ol>

作者声明不存在相互冲突的财务利益或其他利益冲突。

本研究提出了一种针对液压粘性离合器摩擦片油槽结构的优化设计方法。具体而言，旨在通过改变油槽的数量、排列方式及几何尺寸等参数，改善油膜性能10。采用Fluent软件进行数值模拟，并结合响应面法（Response Surface Methodology, RSM），对径向油槽数量、油槽深度以及径向油槽弧长等参数进行分析与优化。目标是建立一种可节省时间和成本的设计方法，同时降低油膜温度并保持足够的扭矩传递能力，从而延长离合器的使用寿命。
在模拟与优化过程中，可能会出现收敛失败或结果偏离预期等问题。为解决这些问题，我们建议采取以下方法：若模拟无法收敛，应首先检查网格质量，确保网格单元的偏斜度低于0.7，纵横比小于5，并在沟槽壁等关键区域进行额外的网格细化30。同时，需确认边界条件设置正确，包括旋转速度、入口流速以及无滑移条件。可根据需要调整求解器参数，例如减小时间步长、增大松弛因子，或从一阶数值格式切换至二阶格式，以提高解的稳定性。此外，应仔细核对输入的材料属性，避免因物理参数不准确而导致发散。...

随着社会生产力的快速发展，越来越多的大型重载机械被应用于建筑和制造过程中。这些机械在要求高功率动态调速的同时，还需考虑低能耗问题。
近年来，一种新型调速装置已被提出并应用于重型机械中，即液压黏性离合器。该装置融合了机械、电子控制和液压技术，兼具流体剪切传动与机械摩擦传动的特点。其节能特性使其应用日益广泛1,2,3。
液压黏性离合器的工作原理基于牛顿内摩擦定律，利用油膜剪切所产生的转矩实现动力传递和平稳调速。因此，液压黏性离合器能够实现稳定可靠的动力传递与控制4,5。影响油膜性能的关键因素之一是摩擦片的表面结构。液压黏性离合器摩擦片的表面并非光滑，而是具有多种形式的沟槽。这些沟槽的存在有助于动压油膜的形成并改善散热性能；然而，带沟槽摩擦片所形成的油膜会影响理论黏性剪切转矩。此外，沟槽结构不仅影响所形成油膜的均匀性，还关系到油膜剪切过程中产生的温度，进而影响摩擦片的冷却效果。过高的温度可能导致摩擦片翘曲变形，造成永久性失效6。因此，液压黏性离合器的结构设计主要集中在摩擦片的设计上，其关键挑战在于优化以下参数：传递转矩、油膜承载能力、油膜均匀性、油膜温度、摩擦片温度以及摩擦片强度7,8。
湿式摩擦离合器摩擦片的油槽结构设计主要包括多种布置形式，如周向油槽、径向油槽和弧形油槽9,10,11。以往研究表明，除了布置形式不同外，油槽的截面设计也存在差异，包括矩形、梯形和弧形截面油槽。油槽结构的差异对油膜特性具有多种影响12,13,14,15,16。在特定条件下，不同油槽结构所形成的油膜可能对离合器性能产生不同的影响。应用于不同机械设备中的离合器尺寸各不相同，因此，相同结构的摩擦片在不同尺寸和工况的离合器中使用时，其性能表现可能存在显著差异。因此，针对各类机械及不同运行条件下的湿式摩擦离合器摩擦片设计，需要一种成本低且耗时少的设计与评估方案。
液压黏性离合器摩擦片的设计方法涵盖多个方面，包括理论分析、实验研究和数值模拟，重点关注油膜的压力场、温度场和速度场如何影响其性能8,17,18,19,20,21。此外，众多学者基于摩擦片表面的微织构及其材料开展研究，以提升液压黏性离合器的性能22,23。许多研究人员探讨了液压黏性离合器中旋转流场的空化特性与油腔截面形状之间的关系，分析了不同沟槽结构参数下油膜剪切空化的起始位置，为预测油膜剪切空化的发生提供了理论依据和技术支持24,25。在这些方法中，数值模拟已成为关键的研究工具，随着仿真软件的发展，相关研究日益精细化。Fluent 模块主要用于模拟和分析不同油槽结构对流场性能的影响，其具体目标是通过改变沟槽结构来优化油膜特性26,27,28。然而，针对特定需求所获得的仿真分析与实验结果虽始终符合预期，但尚未验证其是否适用于不同尺寸的液压黏性离合器摩擦片设计。
结合现有研究方法，本研究利用 Fluent 仿真软件和响应面法（RSM）参数优化，提出一种适用于多种尺寸摩擦片油槽结构的设计方案。该方案通过 Fluent 分析不同沟槽参数下油膜的特性，探讨显著影响这些特性的关键因素，计算不同沟槽参数所形成油膜的扭矩和温度变化，并采用 Box-Behnken 方法对摩擦片结构参数进行统计优化。
本研究展示了具有复合沟槽结构的摩擦片的优化分析，该结构包括矩形截面周向沟槽与弧形截面径向沟槽的组合。目标是设计出能够同时实现高扭矩传递和低油膜温度的摩擦片。未来针对不同尺寸摩擦片的设计仅需更改模型的初始尺寸，同时保持相同的研究方案和流程。

<table><tbody><tr><td>Aldary</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>合金材料</td></tr><tr><td>Ansys-Workbench</td><td>ANSYS</td><td>ANSYS 2023R1</td><td>多用途有限元法计算机设计程序软件</td></tr><tr><td>Design-Expert</td><td>Stat-Ease</td><td>Design-Expert 13</td><td>实验数据分析工具&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>8号液压油</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>液体</td></tr><tr><td>PC&amp;nbsp;</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>计算机设备</td></tr><tr><td>SOLIDWORKS</td><td>Dassault Systemes</td><td>solidworks 2023</td><td>工程软件绘图工具</td></tr><tr><td>钢</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>合金材料</td></tr></tbody></table>

液粘离合器摩擦片的参数化优化设计方法

Parametric Optimization Design Method for Friction Plates of Hydro-Viscous Clutches

液压黏性离合器（HVC）基于液体黏性传动理论运行，以黏性流体为工作介质，通过摩擦片间油膜的剪切力传递动力。摩擦片上的沟槽结构直接影响油膜的扭矩传递能力和由剪切引起的温升。因此，设计兼顾高效扭矩传递与低温升的摩擦片结构具有重要意义。为解决这一问题，本研究分析了沟槽结构对油膜特性的影响，并确定了关键影响因素。随后，利用仿真软件计算了不同沟槽结构下油膜的扭矩和温升。接着采用响应面法（RSM）中的Box-Behnken设计对摩擦片的结构参数进行优化。结果表明，优化后的摩擦片结构（沟槽深度0.214 mm、弧长5 mm、16条径向弧形沟槽和5条周向沟槽）可在保证高扭矩传递能力的同时显著降低油膜温度。该设计方法为各类尺寸液压黏性离合器中摩擦副的优化设计提供了参考依据。

该方案中的建模与仿真分析步骤旨在确定摩擦片沟槽的哪些参数对油膜温度和传递扭矩具有显著影响。通过对采样数据进行参数优化，调整影响油膜性能的参数组合，随后反复进行建模与仿真以生成数据，最终通过响应面优化获得摩擦片沟槽的最优参数。
图3、 图4、图5 和 图6 展示了不同沟槽参数对传递扭矩和油膜平均温度的影响。由于沟槽结构的差异，形成的油膜形状不同，从而导致传递扭矩和温度均发生变化。
在保持周向沟槽数量、弧长和深度不变的情况下，分析了径向沟槽数量变化对传递扭矩和油膜平均温度的影响。如图3所示，当沟槽数量从12增加到20时，传递扭矩随沟槽数量的增加呈线性下降，同时油膜温度也随之降低。类似地，在保持其他参数不...

本研究结合数值分析软件与响应面法（RSM），系统探讨湿式摩擦离合器摩擦片的优化设计方法。

液压黏性离合器（HVC）基于液体黏性传动理论运行，以黏性流体作为工作介质来传递动力……

本研究聚焦于液压传动划痕的摩擦配比设计，旨在实现高扭矩传递的同时降低油膜温度。本研究开发了一种优化方法，结合前期试验与响应面法，用于摩擦片结构设计。该方法适用于多种工况下的摩擦片，具有良好的通用性和高效性。首先，打开工作台工作站，将工具箱、组件系统和几何体中的几何模型拖入项目示意图区域。右键单击几何体，选择“导入几何模型”以导入已完成的模型，然后单击以在 SpaceClaim 中编辑几何模型。在空间声明工具栏中，单击修复，然后选择附加边和分割边以完成修复，合并受影响的分割线。接着单击设计和选择，在选择中选中模型的内表面，然后在组中单击创建 NS，将其命名为 inlet。使用相同的方法，单击外表面并将其命名为出口。然后单击光滑的下壁面，并将其命名为 B，作为油膜与被动摩擦片接触的壁面。选择所有未命名的表面，并将其命名为 Z，作为油膜与主动摩擦片接触的旋转壁面。现在，退出空间声明并保存文件，以完成模型的预处理。在工作台工作站中，从工具箱的组件系统中将 fluent 拖动到已添加几何结构的项目示意图区域中。单击几何结构，并将鼠标拖动至 fluent 项目中的网格，以将其网格模块与几何结构的上游数据进行关联。双击打开网格，为网格分割选择密封几何体，然后逐步按照工作流程导入几何模型并添加局部尺寸。单击生成表面网格。将最小尺寸设置为 0.3 毫米，最大尺寸设置为 8 毫米，曲率法向角度设置为 10。设置这些参数后，单击生成表面网格。通过右键单击生成的表面网格并选择插入改进的表面网格质量来检查表面网格质量。将最小网格质量设置为 0.7，然后单击确定以完成改进。单击描述几何模型。将几何模型选择为仅包含一个无间隙的流体区域，其余选项均保持默认设置，依次进行。单击描述几何结构并更新区域类型设置，保持默认参数，完成该过程。单击“添加边界层”，在保持其他设置为默认值的情况下，选择层数为三个。单击“生成体网格”，并优化体网格质量，以确保其质量值超过 0.12。网格生成后，单击“切换到求解”，等待网格分区完成并导入分析模块。从网格划分切换到求解器模式。网格加载完成后，在通用菜单中点击“check”以验证有限元模型的有效性，并检查网格是否存在负体积。在模型设置中打开能量方程。进入黏性模型设置界面。选择层流模型，并启用黏性加热选项。根据所提供的两种材料的属性修改材料参数，调整名为 air 的液体材料和名为 aluminum 的固体材料。点击边界条件。选择名为 Z 的活动摩擦垫壁面。点击动量设置，将其设置为绕 Y 轴以每秒 100 弧度旋转的壁面，剪切条件为无滑移。点击边界条件。选择名为 B 的被动摩擦垫壁面。单击动量设置，并将其设为无滑移剪切条件的静止壁面。通过系统耦合设置与能量传递相关的边界条件。接下来，选择出口并将其设为压力出口，表压设为零，从而设定出口边界条件。通过选择入口，将其设置为速度入口，流速为1米每秒，入口温度为30摄氏度，来设定入口边界条件。点击求解设置，选择SIMPLEC算法作为求解方法。动量和能量选择一阶迎风格式，并将残差值保持默认。初始时刻计算域的状态设置为：初始温度26摄氏度，压力0帕斯卡，X、Y和Z方向速度均为零。将迭代次数设置为300。单击计算并等待结果。计算完成后，依次单击结果、报告和通量，选择质量流量和通量，并检查进出口数值，确保误差小于0.1%。通过单击结果、报告和力，选择壁面B绕Y轴的扭矩，并将黏性值解释为油膜产生的剪切扭矩，以分析结果。现在，退出流体流动计算模块。将工具箱中的组件系统结果拖动到项目示意图中已完成仿真的位置，然后将求解结果链接到结果模块。输入结果，点击计算器，选择函数计算器以求解油膜的平均温度，然后点击计算以获得结果。在Design Expert软件中，点击新建设计。在响应面下，选择Box-Behnken，建立一个三因素、两水平的优化模型。单击数值因子以选择三个因子：摩擦垫中径向油槽的数量、油槽的深度以及油槽的弧长。然后填写相应的表格。将三个影响因子分析所得的高水平值和低水平值填入相应表格中。将每个区块的中心点设置为5个，然后点击下一步，将响应变量更改为两个，即油膜传递的转矩和油膜的平均温度。点击完成以生成17组随机样本点。重复仿真分析过程，以获得重组后油膜的传递转矩和平均温度。将三种影响组合的预测变量 A、B 和 C 与模拟结果合并，形成新的变量表。然后在模型中选择二次项作为过程阶数。选择多项式作为模型类型，并保留其他默认设置。建立响应面模型后，计算扭矩和平均温度。通过点击方差分析，并在拟合统计中分析R平方值和适宜精度值，对模型进行误差分析，以验证其是否符合标准。接着点击优化，然后选择数值和准则，保持三个影响因素的范围不变。然后单击“解决方案”以找到近似值下的最大扭矩和最小平均温度。计算不同数组的结果，并将组合一标记为该模型的最优解。建模与仿真过程确定并优化了显著影响油膜温度和传递扭矩的摩擦片沟槽参数。随着径向油槽数量的增加，传递的扭矩减小，但润滑油膜的平均温度也随之降低。同样，增加径向油槽的槽深弧长以及周向油槽的数量，也会导致传递扭矩出现类似的下降，并在不同程度上显著降低润滑油膜的平均温度。三种典型的油槽结构产生了明显不同的油膜温度分布，在外圈高温区域表现出显著差异。平均油膜温度和扭矩的响应面模型显示，预测值与实际值之间具有良好的一致性。径向沟槽数量与沟槽深度的交互作用对扭矩响应产生了倾斜的曲面，而沟槽深度与弧长的交互作用则呈现出更陡的梯度。径向沟槽数量与沟槽深度的交互作用在平均油膜温度上形成平缓的梯度变化，而沟槽深度与弧长的交互作用则导致更明显的颜色过渡。

parametric-optimization-design-method-for-friction-plates-hydro

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

流体粘性离合器摩擦片参数优化设计方法

以下论文介绍了一种新型有限元仿真技术（KBC-FE），该技术通过在云计算环境中应用独立模块进行仿真，从而降低计算成本。此外，该技术建立了世界领先科学家之间的无缝协作网络，能够将前沿知识模块集成到有限元仿真中。...

基于知识的云有限元仿真在钣金成形工艺中的应用

我们构建了一个仿真模型，用于评估电静液作动器中单轴同轴电机-泵组件的泵流量特性与性能，并通过实验研究该电机-泵组件在多种工况下的整体效率。...

电静液作动器中单轴同轴电机-泵组件的建模与实验分析

开发了一种专门用于电控变量泵（EVDP）初步设计的仿真模型，并通过实验对其进行了部分验证。该模型可用于评估控制性能、寿命、可靠性等，涵盖了EVDP初步设计任务中的主要性能要求。...

一种用于电控变量泵初步设计的建模与仿真方法

我们描述了一种利用光学参量振荡器发射的非经典光，通过条件制备方法可靠地生成行波光学场的非高斯态，包括单光子态和相干态叠加态。文中考虑了I型和II型相位匹配的振荡器，并详细说明了常用的操作步骤，例如所需的频率滤波，以及通过零差探测实现的高效率量子态表征。...

利用连续波光学参量振荡器实现光的量子态制备

本文介绍了进行摩擦力显微镜实验以研究接触刷状结构的方法：通过将分别接枝于（a）基底和（b）胶体探针上的两种聚合物刷相互滑动，表明使用两种不相容的接触刷体系时，滑动接触中的摩擦力相较于相容的刷体系有所降低。...

不相溶对向聚合物刷的制备与摩擦力显微镜测量

介绍了一种使用激光多普勒测振仪（LDV）进行固定-固定梁设计的实验方案，包括频率调谐的测量、调谐能力的改进，以及器件失效和粘连现象的避免。由于LDV方法具有更高的模态检测能力，其性能优于网络分析仪。...

高效宽调谐范围MEMS滤波器的设计与表征方法

本研究介绍了一种设计和制造可穿戴眼镜设备的方案，该设备通过在眼镜两个铰链处安装的载荷传感器，检测进食模式及其他特定身体活动。...

用于食物摄入与身体活动分类的智能眼镜设计与评估

本文介绍了一种用于测试和优化基于微型霍尔效应推进器的空间推进系统的实验方案。...

微型霍尔推进器的优化、测试与诊断

本实验方案旨在介绍一种百千瓦级应用场磁等离子体动力推进器的设计及其相关实验方法。...

100千瓦级外加磁场磁等离子体动力推进器

本文介绍了一种在双相780钢上进行搅拌摩擦点焊（FSSW）的实验方案。通过高速旋转的焊具针部产生摩擦热，使材料软化，随后针部插入两片板材的接合处，形成搭接接头。...

通过摩擦搅拌点焊在DP780钢上制备搭接接头

了解流体粘性离合器摩擦片参数优化设计方法，结合响应面法与数值分析软件，实现高扭矩传递并降低油膜温度，为机械工程与流体动力学研究提供高效设计框架。

液粘离合器摩擦片的参数化优化设计方法

探索更多视频