摩擦片熱壓成型在《有限元法》課程教學中的應用

朱春東 付晨 郭飛 王華君

武漢理工大學材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430070

摩擦片熱壓成型在《有限元法》課程教學中的應用

朱春東 付晨 郭飛 王華君

武漢理工大學材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430070

有限元法是工科院校材料成形專業面向本科生開設的基礎課程之一。本文運用有限元分析軟件分析了摩擦片熱壓成型的熱傳導，不僅可以讓學生掌握熱傳導的分析方法，還可以使學生學到利用有限元法優化工藝，達到節能降耗的目的。有效的詮釋了有限元法在熱傳導方面的應用。從而在有限的時間內實現該課程教學目標。

摩擦片；熱傳導；課程教學

引言

自1943年Courant第一次提出單元概念，有限元法(Finite Element Method，FEM)作為求解數學物理問題的一種數值方法已經經過了60余年的發展和完善。1960年, Clough首先把解決彈性力學平面問題的方法稱為有限元法[1]。有限元法（Finite Element Method）是一種高效能、常用的計算方法。1970年后，我國開始將有限元法用于工程問題，至今有限單元法[2]是工程數值分析領域的最廣泛、重要、成熟的數值方法,伴隨計算機科學的飛速發展，越來越發揮它的強大功能，具有對復雜幾何構形的適應性、各種物理問題的可應用性、建立嚴格理論基礎上的可靠性及適合計算機實現的高效性[3]。

摩擦片是汽車制動剎車系統的核心零件，它的質量直接關系到汽車制動性能的好壞和汽車制動性能的安全性、舒適性等。現階段應用最廣泛的摩擦片成型工藝是熱壓成型工藝[4]，摩擦片零件圖如圖1，熱壓模具結構圖如圖2。在成型的過程中，將填料加入凹模與凸模之間的凹槽，然后將凸模壓入凹模，開始成型，壓制同時通上下和兩側的加熱板對模具進行加熱。

圖2 熱壓模具結構圖

1 數值模擬實踐教學

1.1 理論分析

有限元設計的過程就是用有限元程序把有限元理論和方法用計算機實施過程的紐帶。該模擬的基本原理是把所處理的對象首先劃分成有限個單元（每個單元包含若干個節點），然后根據能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一個節點處的熱平衡方程，由此計算出各節點溫度值，繼而進一步求解出其他相關量[5]。

1.2 摩擦片熱壓成型模擬過程分析

利用pro/E三維制圖軟件建立摩擦片熱壓成型模型并存以x_t格式導入ANSYS有限元軟件。如圖3所示。主要分成以下六個步驟：建立工作文件名和工作標題；定義單元類型；定義材料性能參數；導入幾何模型；劃分網格；加載求解；查看求解結果。網格劃分結果如圖4。加載載荷結果如圖5。

圖3 導入ANSYS剖面圖

圖4 裝配圖網 格劃分結果

圖5裝配圖加載載荷結果

2 摩擦片熱壓成型模擬結果分析

2.1 理論分析

用有限元軟件進行工程分析計算時,很重要的一點是分析過程中必須審視分析的結果,對結果有正確的認識,從而指導工程分析的正確進行。該模擬主要是對摩擦片熱壓成型過程中的熱傳導進行模擬，從而得到熱壓成型過程中的溫度場分布。

2.2 摩擦片熱壓成型溫度場分析

在熱壓成型過程中，首先將填料加入凹模與凸模之間的凹槽，使填料均勻平整后將剛背平置于填料上，然后將凸模壓入凹模，開始成型，壓制同時通上下和兩側的加熱板對模具進行加熱。所以整個過程對于熱壓模具來說是穩態傳熱，而對于摩擦片來說從填料到成形是瞬態傳熱。

2.2.1 熱壓模具穩態熱分析 圖6即為熱壓模具穩態熱分析溫度場分布等值線圖，從圖中可以看出與加熱板直接接觸的模具的表面溫度與加熱板溫度相同，只有向著與空氣接觸的面的方向才有溫度變化，即與空氣接觸的表面會有熱量損失。并且通過模擬可以觀察到與摩擦片接觸的模具表面溫度均達到了加熱板溫度，從而得到了摩擦片在做瞬態熱分析時的設置溫度，即為加熱板溫度。

2.2.2 摩擦片瞬態熱分析 由熱壓模具的穩態熱分析得到了摩擦片的瞬態傳熱的加熱溫度即為加熱板溫度。圖7即為摩擦片瞬態熱分析溫度場分布等值線圖，圖中可以看出摩擦片在壓制以及保壓時間內有溫度變化，其溫度由外向內逐漸降低,溫度均勻，僅相差0.2℃。

圖6 熱壓模具穩態熱分析溫度場分布等值線圖

圖7 摩擦片瞬態熱分析溫度場分布等值線圖

3 結語

通過該模擬，不僅掌握了運用有限元法對摩擦片熱壓成型過程中熱傳導過程的模擬的方法，并且歸納出摩擦片以及熱壓模具在熱壓過程中的溫度分布規律，從而便于在該基礎上優化成型工藝并且達到節能的目的。所以有限元法不僅可以分析熱傳導過程，還可以起到優化和改善的作用。因此作為材料成形的學子，掌握有限元法是很有必要的。

[1]王勖成,邵敏.有限單元法基本原理與數值方法[M] .北京: 清華大學出版社, 1988

[2]王勖成.有限單元法[M].北京: 清華大學出版社,2003

[3]閔杰，李路，劉華勇.土建類數值分析課程教學內容優化探討[J].高等建筑教育，2010（5)

[4]劉曉.新型復合摩擦材料的低溫成型工藝研究[D].山東理工大學，2009

[5]李霞，宋海堂.ANSYS在機械設計中的應用[J].計算機技術應用，2007，(11)

The Application of Friction Lining Heat Pressing Forming in Teaching of the Finite Element Method Course

Zhu Chundong Fu Chen, Guo Fei Wang Huajun
School of Material Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.05.099

廣東省重大科技專項（項目編號：2011A080802015）專項資金。

朱春東（1963-），男，湖北廣水人，副教授，碩士，碩士生導師，主要研究方向為材料成型過程控制和模擬。