基于ANSYS制動器溫度場的有限元分析

張群威 馮 凱

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，漯河 462000）

1 創(chuàng)建分析模型

1.1 優(yōu)化模型

濕式制動器真實模型的建立會有一定的誤差，如果誤差太大，就會使有限元分析的計算結(jié)果失去意義。因此，必須要對有限元分析模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。另外，有限元網(wǎng)格類型的選擇也會影響整個仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.1 劃分網(wǎng)格

有限元網(wǎng)格劃分的結(jié)果是否合理，是判斷有限元分析模型建立是否正確可靠的主要依據(jù)。有限元網(wǎng)格劃分是建立有限元分析模型的一個關(guān)鍵步驟，需要考慮的因素比較多，模型中每個部件的幾何結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)以及接觸關(guān)系等都會影響分析結(jié)果的精度，同時還要注意選擇的單元網(wǎng)格類型和大小會影響計算規(guī)模，網(wǎng)格劃分如果不合理就會導(dǎo)致計算無法進(jìn)行。

選擇Main Menu命令，彈出實體選擇對話框，用鼠標(biāo)選擇矩形4條邊線，在“Element edge length”文本框中輸入“25”，單擊“OK”按鈕得到網(wǎng)格分析模型。

1.2 添加溫度邊界條件

在軟件中，把摩擦片外的表面、方向位移的自由度進(jìn)行約束，只允許摩擦盤沿著軸向來回自由移動，并且約束鋼盤使其只能沿軸旋轉(zhuǎn)，施加均勻分布的制動壓力。整個摩擦制動系統(tǒng)初始溫度設(shè)置為20℃。

在菜單欄選擇Main Menu命令，在彈出的實體選擇對話框中，選中模型左邊線，接著在出現(xiàn)的對話框中設(shè)置“Load PRES value”為“20”，單擊“OK”。

2 定義約束參數(shù)

建立濕式多片制動器三維模型，通過簡化得到了對應(yīng)的有限元分析模型。同時，運用網(wǎng)格劃分模塊對所建立模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過仿真分析得到制動過程中摩擦副溫度場的變化情況，掌握摩擦盤和鋼盤不同時段熱流傳遞趨勢，并對其進(jìn)行總結(jié)。對溫度場分布不均的衍生問題進(jìn)行研究，研究了摩擦副尺寸和材料對熱點問題的影響。建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，對其進(jìn)行數(shù)字仿真和模擬仿真，對此兩種仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

2.1 定義單元類型及常數(shù)

在ANSYS程序主界面中選擇Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，彈出“Real Constants”對話框。單擊“Add”按鈕，進(jìn)行下一個“Choose Element Type”對話框，選擇“Plane82”單元，單擊確定，在THK文本框中輸入“20”，定義厚度為20mm。

2.2 定義材料參數(shù)

濕式制動器摩擦盤的材料為無石棉的紙基摩擦材料，密度為1450kg/m3，濕式制動器泊松比為0.3；鋼片的材料是45#鋼，密度為7850kg/m3，泊松比為0.269。

表1 制動片特性參數(shù)

3 求解及優(yōu)化

選擇Main Menu→Solution→Solve→Current LS命令，彈出的窗口包括所要計算模型的求解信息和載荷步信息。單擊上圖“OK”按鈕，軟件開始進(jìn)行分析計算。

在不同制動時刻，濕式制動器摩擦片表面整體溫度場分布情況不同。為了使?jié)櫥土鲃樱Σ帘P表面對稱分布徑向油槽，這些油槽把摩擦盤分成了形狀相同的幾個部分。由于所受壓力均布在摩擦盤表面，各區(qū)域的溫度場總體分布狀況相似。同一時刻，外徑處的溫度明顯高于內(nèi)徑，這是由于相同角速度下，滑動半徑越大，摩擦盤的相對滑動速度越大，導(dǎo)致摩擦產(chǎn)生熱量就越大。摩擦盤油槽區(qū)域的溫度明顯低于與發(fā)生接觸的區(qū)域，這是由于油槽未與鋼盤接觸，沒有摩擦熱產(chǎn)生，只靠熱傳遞使溫度上升。

在整個制動過程中，摩擦盤同一位置的溫度隨著制動時間的延長而升高，在結(jié)束時出現(xiàn)最高溫度。在持續(xù)制動的前半段時間內(nèi)，溫度升高相對較快，在后半段溫升速度降低。在制動停止時，摩擦盤便停止相對滑動，不再產(chǎn)生熱量，因而溫度不再升高，并且由于對流散熱溫度還有所下降。

結(jié)合摩擦盤沿半徑切面的溫度分布狀況進(jìn)行分析，摩擦片的熱源在摩擦片與鋼片的接觸表面，摩擦盤熱量的流動方向是從摩擦盤表面到摩擦盤內(nèi)部。由于熱量的傳遞速度要小于生熱速度，摩擦盤表面的溫度比內(nèi)部溫度要高。因此，熱流主要由摩擦表面流向摩擦盤內(nèi)部，隨著熱流不斷流入，內(nèi)部溫升速度加快。摩擦盤外徑處溫升速度也要大于內(nèi)徑處，在內(nèi)部徑向方向也產(chǎn)生溫度梯度。摩擦片內(nèi)徑邊緣區(qū)域的溫度在整個摩擦制動過程中變化不明顯。

4 結(jié)語

本文主要使用ANSYS對全封閉濕式制動器的溫度場在不同時刻分布規(guī)律以及溫度場相關(guān)熱點問題進(jìn)行了研究。首先闡述了有限元計算的數(shù)學(xué)理論，分析了摩擦制動生熱理論和熱傳導(dǎo)理論等問題，并建立了濕式多片制動器的三維熱傳導(dǎo)模型。

[1]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]機械工程師手冊編委會.機械工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]張文明，申炎華，張衛(wèi)鋼.濕式制動器的制動過程和摩擦溫度場的研究.有色金屬工程，1997，（1）：14-19.