軸裝制動盤熱容量仿真計算與分析

李志龍

摘要：本文介紹了制動盤熱容量計算的流程步驟、熱流密度的概念及加載方法、制動盤緊固件有限元網格劃分的技巧以及計算結果的查看。

關鍵詞：計算流程、熱流密度、材料屬性、網格劃分、加載約束

高速鐵路采用的制動方式主要是盤形制動，具有結構簡單、工作可靠等優點。實際工作過程中，制動盤是能量轉換裝置，將列車的動能通過摩擦作用，轉換為熱，散發至大氣中。列車在制動時，一般有兩種制動模式：一是遇緊急情況會進行緊急制動;二是常用制動進行停車或者減速。其中緊急制動時，減速度大、壓力大、條件惡劣，尤其在電制動失效時，制動能量全部靠制動盤來承受，導致該工況下制動盤及其連接螺栓均承受巨大的工作載荷，因此對制動盤進行熱容量仿真計算十分必要，可對制動盤承受的溫度場和應力進行提前校核[1]，本文對制動盤仿真計算的流程及各個步驟進行了詳細的介紹。

一、仿真計算流程

目前，制動盤熱容量計算多采用ABAQUS軟件進行計算。熱容量計算流程與強度仿真基本流程一致：模型導入→加載材料屬性→輪盤裝配→建立計算步→建立接觸→施加外部載荷（預緊力+熱流密度）→部件的有限元網格（mesh）→計算及結果查詢，本文將采用1/4的軸盤模型進行制動盤熱容量仿真計算的示例。

二、熱流密度

制動盤在進行熱容量計算時，需根據整車的制動載荷向制動盤輸入熱流密度。動車組從運動狀態到靜止，列車的動能經過制動盤的作用轉化為熱能散發到大氣中。假設制動過程中，列車的動能全部轉化為熱能，制動過程中所產生的熱W為：W=1/2M（V12-V02）。其中，M：制動質量;V1：制動速度;V0：初速度

假設制動盤上的熱量是均勻分布的，根據熱流密度定義得到制動盤摩擦環上熱流密度與時間的關系為q（t）=η*dW/（A*dt）=M*a*V1/A。其中，A：摩擦面積;η：散熱效率;a：平均減速度。根據經驗，散熱通常取0.85[2]。

三、材料屬性

制動盤的材料屬性在“Property”模塊中進行定義，根據材料不同，分別建立了“隔圈”、“螺栓”、“盤轂”、“鑄鋼”四種材料屬性和截面屬性并逐個賦予對應的零件。材料屬性需包含“導熱系數 Conductivity”、“密度 Density”、“彈性系數 Elastic”、“熱膨脹系數 Expansion”、“比熱容 Specific Heat”。其中，導熱系數、熱膨脹系數、比熱容、彈性系數在不同的溫度下有不同的數值，可通過測量得到。以鑄鋼材料為例，mm為基礎單位，ABAQUS中的數值常用的材料系數如下表所示[3]。

四、建立計算步

根據制動盤的仿真步驟，在“step”模塊中建立了3個計算步：初始狀態→靜力計算→熱機耦合。在初始狀態中添加制動盤的散熱系數，在靜力計算步對軸盤緊固件施加預緊力，在熱機耦合計算中對制動盤摩擦面施加熱流密度。

五、建立接觸

根據制動盤的裝配關系，在“interaction”模塊中建立各個部件的接觸關系，

首先建立接觸屬性，接觸屬性中定義了切向和垂向的面與面的接觸屬性。以軸盤為例，鋼-鋼接觸屬性的切向摩擦系數為0.15，垂向接觸為硬連接。盤體與盤轂、盤體與壓緊環、螺栓與套筒、螺母與套筒、套筒與盤轂、套筒與壓緊環建立接觸類型為surface-to-surface（面與面）的接觸，螺栓和螺母的嚙合部分建立“Tie（綁定）”的接觸。

六、加載及約束

施加約束：由于采用1/4盤體模型，盤體的兩個切面分別施加切面垂向方向的位移約束，在盤轂的內孔施加全約束施。

施加載荷：在螺栓的橫切面施加軸向方向的預緊力，載荷類型選擇“Bolt load”;對制動盤兩側的摩擦面施加熱流密度，載荷類型選擇“Surface heat flux”，在Amplitude中輸入熱流密度，并在Magnitude中選擇輸入系數，系數推薦為0.85。

七、有限元網格劃分

計算前，在“Mesh”模塊中對軸盤的所有部件進行網格劃分，為使計算能夠收斂，盡可能使用六面體單元。有限元前，需對部件進行切割操作，便于網格劃分的識別，同時需避免切割后出現尖角銳棱，以避免網格劃分的失敗。以螺栓為例，螺栓內徑沿周向切割一個圓柱，將螺栓在周向平均切割成為4份，再對螺栓頭部進行切割。按照這個方法，再對其他部件進行切割，然后進行有限元網格的劃分，建立的軸盤有限元模型。

八、計算及結果查看

上述步驟完成后，可在“Job”模塊中對制動盤進行溫度場的計算，新建計算任務后，可設置計算所能調動的內存數量和占用內存的比例，提交計算后可在Monitor中查看計算過程。本文的計算工況為初速度為400km/h的連續兩次緊急制動，通過計算可的制動盤的盤面最高溫度為642℃，滿足700℃的許用要求，并可得到整個加載過程的實時溫度曲線。

九、總結

本文對制動盤熱容量計算的步驟進行了詳細介紹，對熱流密度的定義和軸盤常用的材料屬性進行了列舉，對各個步驟中操作技巧進行了分享，對制動盤熱容量計算有較強的指導作用。

參考文獻：

[1]高速列車合金鍛鋼制動盤溫度場仿真分析，李繼山，2006年第8期，鐵道學報

[2]準高速客車制動盤溫度場及應力場的計算與分析，吳萌嶺，1995年第12期，鐵道車輛

[3]列車制動盤溫度場和應力場仿真分析，楊強，2009年6月，碩士論文

1182500511346