汽车制动盘全耦合热机械分析仿真
Ali Belhocine1 和 Mostefa Bouchetara2
摘要：汽车制动系统是现代汽车中最基本的安全关键系统之一,其主要用途是制动或减速。制动过程中产生的摩擦热对制动器总成会产生许多负面影响,如制动褪色、过早磨损、热裂纹和盘片厚度变化等。在以往的盘式制动器的热分析研究中,很少考虑摩擦表面的粗糙度和摩擦磨损。采用三维热力耦合边界条件和多体模型技术建立了通风式盘式制动器总成的三维模型。采用基于 ANSYS 软件的热-结构耦合方法,对瞬态温度场和应力场耦合进行了数值模拟,以评价在垫片压力和紧固条件下建立的圆盘内的变形应力场,从而得到垫片内的接触压力分布场,这也是本研究的一个重要方面。与专业的文献结果相比,模拟得到的结果令人满意。
关键词 制动盘,接触压力,热流密度,传热系数,垫片,热机械耦合,Von Mises 应力
1.引言
制动系统的热分析是制动系统研究的基础,因为温度决定了制动系统的热机械性能。在制动阶段,温度和温度梯度非常高。这会产生应力和变形,其后果表现为裂纹的出现和加重1,2。精确地确定制动盘的温度场是非常重要的。在制动过程中,盘内温度不会再某段时间内出现稳定状态,需要进行瞬态分析。评估热梯度也很重要,这需要对问题进行三维 (3D) 建模。热负荷表现为通过刹车片进入盘片的热流。Choi 和 Lee3,4对制动盘的热力耦合分析进行了大量的研究,建立了制动盘的热弹性接触问题的轴对称有限元 (FE) 模型,并研究了盘式制动器在拖动制动过程和重复制动过程中的热弹性失稳现象。Gao 和 Lin5 以及 Gao 等人6分析了固体的瞬态温度场和热疲劳断裂制动盘的三维热-机械耦合模型。2007 年,Hwang 等人7 采用轴对称模型和部分三维模型研究了通风制动盘的温度场和热变形。2008 年,Hwang 等人8 基于热力耦合和多体模型,识别了反复制动过程中通风制动盘的温度场。在有限元热应力分析的基础上,对制动器转子的结构完整性进行了研究9。例如,Fukano 和 Matsui 10 研究了具有温度依赖性材料特性的制动盘的弹性热应力,发现最大诱导热应力超过了制动盘材料的抗拉强度。Medones 11 在热机械有限元分析中研究了机械载荷对制动盘弹性应力的影响,结果表明只有摩擦制动阻力会在制动盘中产生显著的剪应力。
在本研究中,我们将提出一个三维数值模拟,以分析全通风盘式制动器的热力行为。基于有限元方法的策略计算将使用 ANSYS 11 程序进行。盘式制动器转子盘片的瞬态热和结构分析,旨在评价汽车盘式制动器转子在严酷制动工况下的性能,从而辅助盘式制动器设计和分析。需要对新材料的使用进行研究,以提高制动效率并为车辆提供更大的稳定性12。本调查可使用 ANSYS 软件完成。ANSYS 11.0 是一个专用的有限元软件包,用于确定整个盘式制动器剖面的温度分布、应力变化和变形。目前对这一问题进行的研究,对热机械情况进行了较少假设和较少程序限制的ANSYS模拟。利用瞬态热分析得到的温度分布计算了圆盘表面的应力。
2.进入圆盘的热流
在制动系统中,机械能被转化为热能。在制动阶段期间这种能量的特点是盘片和衬垫的总热量。以热的形式耗散的能量可以产生 300 ~ 800℃ 的温升,接触区域的热量是摩擦力产生的塑性变形的原因。
通常,刹车片材料的导热系数小于盘片的导热系数,我们考虑到产生的热量将完全被制动盘吸收。从该表面排出的热流等于摩擦能量。通过以下公式计算进入圆盘的初始热流14：
（1）
其中,z =a/g 是制动效能,a 是车辆减速度[ms-2],是前后轴之间制动力的速率分布,Ad 是由单个刹车片扫过的面积[m2],v0是车辆的初始速度,p是盘面的系数载荷分布,m 是车辆的质量（kg）。
图 1对圆盘施加作用力的圆盘垫组件
表 1 汽车制动几何尺寸及应用参数
|
车辆质量-m[kg] |
1385 |
|
初速度-v0 [km/h] |
28 |
|
减速度-a[m/s2] |
8 |
|
有效转子半径-Rrotor [mm] |
100.5 |
|
制动力的速率分布-[%] |
20 |
|
制动盘上的电荷分布系数- |
0.5 |
|
表面盘被焊盘扫过的面积-Ad[mm2] |
35993 |
表 2 模拟中使用的热弹性特性16
|
材料性能 |
衬垫 |
制动盘 |
|
热导率,k (w /moC) |
5 |
57 |
|
密度,(kg/ m3) |
1400 |
7250 |
|
比热c (J /kg oC) |
1000 |
460 |
|
泊松比v |
0.25 |
0.28 |
|
热膨胀系数,（10-6/oC） |
10 |
10.85 |
|
弹性模量,E（GPa） |
1 |
138 |
|
摩擦系数, |
0.2 |
0.2 |
|
工作条件 |
|
|
|
角速度,（rd/s） |
|
157.89 |
|
液压,P（MPa） |
|
1 |
图1所示为通气圆盘垫和施加的力。负载对应于阀瓣表面的热流密度。热力计算所用的尺寸和参数如表1所示。盘状材料为灰铸铁,高碳含量FG,具有良好的热物理特性15,刹车片具有各向同性的弹性行为,这两部分模拟采用的热机械特性如表216 所示。
S ST U S ,ST I S
r
n
q
V
Q
p T
r uuuuur
n.k.grad T S C r
on S
T T on S
图 2施加在连续介质上的热负荷
3.热问题的数值模拟
3.1有限元法
有限元方法在许多应用中被用来求解偏微分方程,它导致对连续方程的未知因子的一个简单的近似,然后这些将被转化为一个最终维数的方程组,我们可以用 AU L 的形式来表示,其中U是未知数的向量,a是矩阵,L是向量。
3.2形态差异
图 2 所示的系统承受以下热负荷：
- 对于特定热源 Q W；
- 体积热源 Q Wm3；
- 表面 ST上施加（或规定）的温度 TP；
- 表面[W/ m2]上施加的通量密度；
- 表面 上对流 的热传递；
- 表面 上辐射的热传递。
热问题的解法是求固体任意点的温度场 T (x,y,z,t) , 使18
（2）
边界条件
（3）
时间 t= t0 的初始条件为
（4）
其中,p是材料的密度[kg /m3],Cp 是质量热容[J/ (kg K)],是单位法线,s 指向 v 的外部。
这个方程组的弱公式如下19-21：
（5）
式中：T* 为权函数（或功能测试）。
具有初始和以下边界条件：
（6）
温度场 T（x,y,z,t）在整个区域 V17 上的表达：
（7）
其中[N (x,y,z)]是插值矩阵,{ T (t) } 是节点温度向量。
式 (5) 中的下列关系式:
（8）
（9）
（10）
（11）
（12）
（13）
（14）
（15）
其中[C] 是热容量矩阵 (J /K),[K] 是热导率矩阵 (W/ K),{F}是节点通量向量 (W)和{T}是节点温度向量 (K)。
3.3初始条件
我们假设盘的初始温度恒定：
（16）
3.4边界条件
这是一个具有两个边界条件的瞬态热问题：
- 进入圆盘的热流集中在两侧的接触区圆盘垫内；
- 由于圆盘的转速随时间变化,所以在交换系数 h 取决于一定时间的圆盘的所有自由表面上通过对流进行传热。
使用 ANSYS CFX 模块计算并导入每个圆盘表面的热交换系数h。
4计算代码 ANSYS 的呈现
本研究使用的模块如下。
- ANSYS Workbench：这个平台提供了一个不同的方法来使用原始的计算机代码 ANSYS 来构建模型22。它特别适用于处理具有复杂几何形状的例子和缺乏经验的用户。在这种环境中,用户工作的是几何而不是模型本身。在启动解决方案之前,平台将把用户引入的数据转换为 ANSYS代码。通过插入 ANSYS 代码的特定命令处理生成的 FE 模型。
- ANSYS ICEM CFD:这是一个网格生成软件,用于流体力学和机械结构的应用。
图3 CFX 模拟步骤
- ANSYS CFX：本软件设计用于在流体力学中进行模拟。
- ANSYS 形而上学：本产品包含 ANSYS 模拟代码的所有模块。
图 3 显示了在工作台中使用 ANSYS CFX 进行模拟的阶段。
5.对流交换系数的测定
5.1导言
制动系统的热分析需要精确地确定产生的热摩擦量,以及该能量在制动盘和制动衬片之间的分布。在紧急制动过程中,所有产生的热量与制动盘和制动衬片吸收的热量相同。
在制动过程中,部分摩擦热通过对流和辐射在环境空气中逸出。因此,传热系数的确定至关重要。然而,它们的精确计算相当困难,因为这些系数取决于制动系统的位置和结构、车辆行驶的速度以及随后的空气流通。由于辐射传热过程并不十分重要,因此我们将使用 ANSYS CFX 程序仅确定圆盘的对流系数 (h)。将利用该参数确定椎间盘温度的 3D 分布。
5.2.ANSYS CFX 中的建模
第一阶段是一个模型,包含了在 ANSYS 工作台中研究的领域。在我们的例子中,我们仅仅取了四分之一的圆盘,然后我们定义了这个圆盘周围的空气场。ANSYS ICEM CFD 将为两个区域准备各种表面,以便于网格使用,输出到 CFX 的命令将结果导出到 CFX。在 CFX PRE 中获取模型并指定边界条件之后,我们必须定义这些物理值,这些物理值
英语原文共 16 页
资料编号：[4952]
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