基于MSC.NASTRAN的制動器結構優化有限元分析

周宏陽，張圣，夏明偉

（杭州前進齒輪箱集團股份有限公司技術中心，杭州 311203）

0 引言

隨著工程機械產品的不斷發展，對產品零部件的要求也日益提高，在滿足綜合性能指標的前提下，需要零件不斷輕量化，既符合國家對節能減排的倡導，又能降低成本，提升產品競爭力。

目前，對于產品輕量化、零件減重方面，主要是從兩方面考慮：一是各種輕量化材料的廣泛應用，主要是低密度、高強度材料的使用，有色合金材料的使用，以及塑料、陶瓷和其他復合材料的廣泛使用；二是結構優化，主要分為3個層次，尺寸優化、形狀優化和拓撲優化。尺寸優化即調整零件尺寸，如壁厚等；形狀優化則是基于選取更有利于承載的幾何形狀；拓撲優化則是優化材料在空間的最佳分布，以期整體結構以較小的體積和質量，達到所需要的使用要求[1]。

本文即是根據客戶減重的要求，基于對制動器制動原理的理解，運用了尺寸優化減小壁厚，同時使用了形狀優化，改善了殼體止動部位的形狀，并且運用數值計算方法，用有限元分析的方法進行對比分析驗證[2]。

1 制動器結構原理和技術參數

拖拉機制動器結構如圖1所示，由殼體、殼蓋、制動盤、摩擦片和止動片組成，制動力通過制動盤傳遞進來，經由摩擦片的摩擦力將其傳遞到止動片，止動片與殼體固定連接，最終將轉矩傳遞到殼體，由殼體的形變產生的反作用力與其達到平衡，達到制動的目的[3-4]。

圖1 制動器結構爆炸圖

拖拉機質量為4539 kg，驅動輪動力半徑rdq為0.77 mm，同時工作的制動器數目n=2，制動距離S =2.347 m，拖拉機行駛速度V=20 km/h，傳動比i=4.67。

拖拉機設計工況中，其極限載荷出現在緊急停車制動時加速度a為

在制動時，雙后輪平均分擔制動力，每個后輪有左右制動器，且同時工作的制動器數目為2，其有效制動力為8倍單個制動器的制動力，因此單個制動器的制動力為

極限工況：20 km/h速度下，在2.347 m距離內減速到0，所需的緊急剎車制動力矩為

本文有限元分析中所采用的極限載荷，即為此緊急制動力矩T=2872.5 N·m。

2 原始設計和改進結構后設計的對照

原始設計中,止動片的止動部位采用6個矩形齒式結構,與殼體相應部位進行連接傳扭制動，如圖2所示。該結構為傳統結構，但是在殼體的矩形槽處，恰好承受了止動片所傳遞過來的轉矩，在槽根部存在較大的應力集中。

圖2 原止動片與殼體連接細節

改進結構后采用兩個端面連接制動，如圖3所示。改進后的殼體承擔轉矩部位在左端與止動片斷面配合處的較大平面，有效降低了應力集中，所以從整體上又將殼體減薄了2 mm ，在開模具之前，為縮短設計周期，預先采用有限元分析方法[5-6]進行強度驗證，以確定方案的可行性。

圖3 新止動片與殼體連接細節

3 有限元對比分析

3.1 三維實體模型和材料

該三維裝配體模型基于SolidWorks2014版軟件繪制[7]，包括制動器箱體箱蓋、摩擦片、對偶鋼片及止動片等，在建立裝配體的有限元分析模型時，對分析結果影響較小的結構進行了適當的簡化，比如小的圓角、倒角和孔等，并將簡化后的實體模型導入MSC.Nastran軟件[8-9]。

箱體箱蓋零件材料性能參數如表1所示。

表1 箱體箱蓋材料力學性能表

3.2 網格劃分

新舊制動器的有限元模型網格圖如圖4所示。箱體的結構比較復雜，因此采用四面體單元的網格，并對應力集中處（止動片與箱體連接處）等局部部位進行網格加密，共510 316個節點，304 303個單元[10-11]。新舊殼體整體網格數量接近。

圖4 新舊制動器的有限元模型網格圖

3.3 載荷與位移約束

載荷和邊界條件：根據緊急制動力矩T=2872.5 N·m，將其施加在摩擦片內孔花鍵處，該處與軸上的花鍵連接，傳遞轉矩。在制動器殼體的安裝螺孔位置施加固定約束。原制動器和改進后的制動器都按該載荷進行計算校核。

3.4 分析結果云圖對比

原制動器殼體應力分布云圖與變形分布云圖分別如圖5和圖6所示。改進后制動器殼體應力分布云圖與變形分布云圖分別如圖7和圖8所示。

圖5 原制動器殼體應力分布云圖

圖6 原制動器殼體變形分布云圖

圖7 改進后制動器殼體應力分布云圖

圖8 改進后制動器殼體變形分布云圖

從原始設計箱體分析結果（圖5、圖6）可以看出：應力分布云圖中應力最大值出現在止動片與殼體連接處附近，正好是止動片與殼體連接傳扭處，應力值為163 MPa,安全系數為1.72。

改進設計以后，應力值在整個殼體的分布更加均勻，應力最大值明顯下降，峰值為76.5 MPa，這是由于承載的端面位置處凸臺平面面積較大，將制動轉矩有效進行了分散，因此最大應力值下降了53%，在箱體減薄2 mm的情況下，強度安全系數反而提高，為3.66。同時整體變形量比原來更小，剛度更好。

可見原來殼體過于厚重，通過對結構細節的優化，改善了產品性能，箱體壁厚減少2 mm，單個箱體減重14.5%，這對于批量產品來說，也具有相當的經濟效益。

4 結論

1）本文采用尺寸優化與形狀優化相結合的方法，對制動器結構進行優化。根據結構傳扭特征，對傳統結構進行設計上的優化，并將優化前后的三維模型分別進行有限元分析，根據分析結果調整設計方案，最終確定可行的方案，大大縮短了設計進程[12]。

2）制動器殼體的抗扭性能與轉矩施加的部位及安裝時約束的部位有很大關系，通過尺寸和形狀優化，可以有效減重，交付客戶正常使用3 a多，達到良好的實際效果。