有限元法在分析制動盤損壞原因中的應用

潘少猷，馮 浩，張志勇，陳建國

（1.司法部司法鑒定科學技術研究所，上海 20063；2.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240）

道路交通事故中的主要參與物就是人、車、路。從處理事故的司法角度來看，搞清事故起因是一個非常重要的問題。在事故現(xiàn)場，車輛或多或少都會有一些部件損壞。若事故是由這些部件的突發(fā)性故障而引起的，則一般可以定性為意外事故。有限元法在工程設計領域已獲得了廣泛的應用，其同樣適用于交通事故中部件損壞原因的鑒定。本文主要通過一起對制動盤的損壞原因進行技術鑒定的案例，闡述有限元法在此類型鑒定中的應用思路及方法。

1 有限元法簡介

有限元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，其在工程分析方面獲得廣泛應用。它利用數學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬，其思路是將連續(xù)體理想化為有限個單元集合而成，這些單元僅在有限個節(jié)點上相連接，并承受一定的載荷，這樣就組成了有限單元集合體。由于有限元的分割和節(jié)點的布置非常靈活，它可以適用于任意復雜的幾何形狀，處理不同的邊界條件。一般工程設計中有限元的分析流程（如圖1所示）。

圖1 有限元的分析流程

2 車輛部件損壞的特點

要分析車輛部件的損壞原因，需要考慮其材質、結構、工作特性等方面，是一個相對復雜、綜合的鑒定項目。要想確定該部件不同受力狀態(tài)下的力學特性尤為困難，這主要是因為車輛部件的形狀往往是由多個簡單幾何體的復合、疊加而成。如果用人工計算方法對這些部件的力學特性進行分析，將面臨計算量大、計算精度差的問題。但借助計算機輔助的有限元法，能較快速、準確地計算出結果，并以圖形化的方式顯示出來。下文以一起交通事故為例，介紹如何通過有限元法對損壞的制動盤進行力學分析，以幫助鑒定該起事故的起因。

3 事故背景情況

據委托方提供的信息，當事人聲稱車輛在國道正常行駛過程中，突然右后輪制動盤斷裂，制動盤主體斷落砸破右后輪鋼圈，從而引發(fā)事故。經檢驗發(fā)現(xiàn)，車輛右后輪整體脫落，車身多處見與事發(fā)路段地面及路邊土坡碰撞的痕跡。由此分析，本起事故的存在兩種可能性。一種確實如當事人所說，制動盤先行斷裂。另一種則有可能是制動盤在車體側向與現(xiàn)場固定物碰撞中造成了損壞。

對車輛右后輪制動盤的破損情況進一步檢驗發(fā)現(xiàn)，其制動盤主體與法蘭斷離，斷口位置如圖2制動盤外觀照所示，基本位于制動盤主體與法蘭連接處，并有一定對稱分布特征。

圖2 制動盤外觀照

在專業(yè)的材料鑒定機構進行斷口分析后，基本排除制動盤材料本身存在缺陷的可能性。那就希望能從該制動盤的力學特性方面，分析出斷裂形成的原因。

4 制動器結構及工作原理

發(fā)生事故車輛的右后輪采用浮鉗盤式制動器，其主要由鉗體、制動鉗支架、活塞、制動塊和制動盤等零部件組成。該類型制動器總成的幾何模型圖（如圖3所示）。

圖3 浮鉗盤式制動器總成的幾何模型圖

制動鉗體與活塞對應的部位設置有液壓缸，并配有進油口。制動器不工作時，各零部件保持圖4中的狀態(tài)。制動塊基本貼合在制動盤面上，但制動塊對制動盤不產生加緊力。

圖4 制動器不工作時剖面圖

圖5 制動器工作時剖面圖

制動器工作時，制動總泵將制動液從圖5右部的進油口壓入液壓缸，并推動活塞連同活動制動塊向制動盤方向移動。同時，由于制動鉗體可以沿導向銷軸向方向移動，液壓缸內壓力會通過制動鉗體的移動使固定制動塊壓向制動盤。最終，兩個制動塊加緊制動盤，產生與制動盤旋轉方向相反的阻力矩，使車輛減速。

5 建模分析

對制動盤及制動塊的外形尺寸進行測量，在有限元軟件內建立相應的模型。為了減少計算所需的系統(tǒng)資源，在不影響計算結果的前提下，對模型進行適當簡化，制動盤與制動塊模型（如圖6所示）。

圖6 制動盤與制動塊模型圖

查閱相關文獻，制作如表1的材料參數表。依照表1內的參數，在有限元軟件內設置制動盤及制動塊的密度、彈性模量、泊松比等屬性。劃分網格后，定義制動塊與制動盤的接觸，設定摩擦系數為0.38。

表1 材料參數表 （f=0.38）

在行駛過程中，制動盤處于繞中心軸旋轉的狀態(tài)。制動時，制動盤除受自身重力外，其主要就受制動塊的夾緊力和摩擦力。若當事人所說情況屬實，制動盤應在這種受力狀態(tài)下造成損壞。

在車身側向與固定物碰撞過程中，車輪發(fā)生軸向位移。車輪的位移帶動制動盤的法蘭部分使制動盤產生位移。制動鉗支架安裝在車身懸架上，其不會完全與車輪同步位移。制動塊就會干涉制動盤的移位，制動盤處于與行駛過程完全不同的另一種受力狀態(tài)。

不管是何種受力狀態(tài)下造成的制動盤損壞，破損的部位都應該在應力集中部位。只要分析出制動盤在上述兩種狀態(tài)下的應力分布情況，就能判斷出事發(fā)時的實際情況。

6 仿真求解

根據分析的情況，首先模擬正常制動時的制動盤與制動塊的載荷（如圖7所示）。在模型的法蘭部分加載轉矩，模擬車輪的轉動慣性矩。兩塊制動塊外側分別加載數值相等、方向相對的壓強，模擬制動塊的壓緊力。

圖7 模擬正常制動時載荷加載圖

通過有限元軟件求解出正常制動時，制動盤的應力分布情況（如圖8所示）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，制動盤上應力較大區(qū)域集中在制動塊附近的制動盤主體上。

圖8 正常制動時制動盤應力分布圖

再模擬車輪側向位移時的制動盤與制動塊的載荷（如圖9所示）。在模型的法蘭部分加載軸向位移，模擬從車輪傳遞來的外力。兩塊制動塊均限制自由度。

圖9 模擬車輪側向位移時載荷加載圖

通過有限元軟件求解出車輪側向位移時，制動盤的應力分布情況（如圖10所示）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，制動盤上應力集中在主體與法蘭連接處并具有對稱分布特征。

圖10 車輪側向位移時制動盤應力分布圖

7 交通事故鑒定意見

交通事故中制動盤的斷裂部位主要沿圓周方向、集中在制動盤主體與法蘭部分結合處，而且有一定的對稱性，其與圖10的紅色（應力較大）區(qū)域基本一致。而圖8的應力較大區(qū)域集中在制動盤與制動塊接觸的部位，其分布區(qū)域、特點均與制動盤的實際損壞部位相差較大。因此可以判斷，制動盤不是在正常制動狀態(tài)下（如圖8所示）損壞的，而是在車輪側向與固定物碰撞中（如圖10所示）形成。在綜合其它信息之后，作出了排除因制動盤先行斷裂而引起事故的鑒定意見。

8 結論

工程中的有限元應用往往關注設計方案的仿真，最終達到某些方面優(yōu)化的目的。此時，對有限元中輸入的外廓尺寸、材料參數等數據的準確性要求較高。但在交通事故鑒定中，分析的目的在于搞清現(xiàn)有設計的力學特性。重點在于外廓尺寸，對于材料參數的準確性要求并不高。因此，可在沒有做材料的力學試驗的情況下，通過查詢類似材料的文獻資料完成有限元材料參數的確定。當部件的外廓形狀特別復雜時，可以考慮借助三維掃描儀獲得該部件的外廓尺寸參數。在掃描同時，計算機也能自動生成模型，縮短建模的時間。

總的來說，有限元可以分析出部件的力學特性，并用直觀地方式顯示出來。在交通事故鑒定中應用的門檻不算高，是一種行之有效的鑒定方法。隨著現(xiàn)代數字技術的發(fā)展，有限元在交通事故鑒定中的應用將會越來越普遍。

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