制動盤熱機械耦合仿真系統的開發

方明剛，杜利清，郭立賓，金文偉，黃 彪

（南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

制動盤熱機械耦合仿真系統的開發

方明剛，杜利清，郭立賓，金文偉，黃 彪

（南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

為實現制動盤不同工況下熱機械耦合仿真分析，采用APDL（ANSYS Parametric Design Language）語言編程實現仿真過程的參數化，同時通過UIDL（User Interface Development Language）語言及TCL/TK語言編寫界面，開發了嵌入ANSYS系統內部的仿真集成系統。提出的方法可為制動盤及其他車輛制動部件的熱機械耦合仿真工作提供有效的指導和依據，開發的仿真系統具有一定的實用價值。

制動盤；熱機械耦合；參數化；系統開發

制動盤作為軌道交通車輛基礎制動裝置中的重要執行部件，其對盤體材料的機械性能及熱容量等具有很高的要求。在現代制動盤設計方法中，依據車輛運行工況，在樣品研制及臺架試驗前通過仿真分析，為制動盤設計提供足夠的理論依據，對縮短設計周期、節約研發成本起到越來越重要的作用。其中，基于有限元方法的熱機械耦合仿真，是目前廣泛采用的仿真分析方法，國內外學者及技術人員對此進行了較多研究［1-3］。

考慮軌道交通車輛的制動工況類型較多，仿真過程繁雜，尤其對于城市軌道及城際動車組等，由于車輛運行過程存在較短距離間的反復起動與制動，對實際線路運行工況模擬工作量往往較大，仿真前期建模過程的載荷計算及輸入工作繁雜。本文基于ANSYS軟件，通過APDL語言編程實現了熱機械耦合過程的參數化，并進一步開發了一套專門的制動盤參數化仿真系統。

1 系統總體設計

系統集三維模型導入、有限元模型建立、工況類型選擇、載荷計算、載荷及約束施加、仿真分析以及結果提取為一體，結構上按照熱機械耦合仿真的順序包括前處理模塊、仿真計算模塊以及后處理模塊。系統結構及各模塊功能如圖1所示。

根據設計的系統結構，按照仿真過程的先后順序，針對各具體模塊功能采用UIDL語言分別設計相應的功能菜單系統，進而組織各功能菜單調用由UIDL語言及TCL/TK語言編寫的對話框系統。對話框系統允許進行相關的功能選擇、參數輸入等，并實現相應的功能操作及結果輸出。

2 系統開發

2.1 UIDL、TCL/TK與APDL混合編程方法

UIDL語言及APDL語言是ANSYS提供的專門用于用戶界面設計及參數化有限元分析的二次開發語言。UIDL語言可編寫ANSYS支持的、允許客戶根據需要定制的各類標準型樹狀菜單系統及簡單功能對話框系統。但對于界面較為復雜的對話框，UIDL語言無法實現。

TCL/TK是ANSYS支持的、并提供相應API函數的腳本語言，其可嵌入UIDL語言中，并可實現對APDL語言的調用，從而實現與ANSYS系統的交互訪問。并可定制復雜的對話框，從而彌補UIDL定制的標準對話框的不足［4］。

UIDL、TCL/TK與APDL混合編程流程如圖2所示，其具體實現步驟如下：

（1）針對具體仿真問題，首先采用APDL語言編程，參數化實現整個仿真過程。

（2）根據仿真過程定義各具體實現功能模塊，并利用ANSYS宏技術組織管理APDL程序，得到各功能宏文件（.mac格式）。

（3）根據模塊功能實現需要，采用UIDL語言編寫標準的系統模塊菜單系統及功能對話框系統；采用TCL/TK語言定制非標準對話框。

（4）對話框定義程序中要求添加宏文件輸入參數的接口，并添加宏文件調用代碼，從而實現對APDL程序的界面封裝。

（5）宏文件執行結果通過UIDL語言及TCL/TK語言提取并輸出顯示至對話框中。

通過混合編程，可充分發揮各語言優勢，實現定制用戶界面與ANSYS系統數據庫的交互訪問，擴充ANSYS原有功能，提高有限元仿真的效率。

2.2 仿真模型建立

考慮制動盤結構及載荷的對稱性，為降低計算規模，采用三維造型軟件建立盤體1/4模型。導入ANSYS后，設置盤體材料屬性，并定義SOLID98單元類型，對盤體進行網格劃分。同時，在盤體三維模型的對稱分割面處施加對稱約束。

車輛制動時，夾鉗動作帶動閘片夾緊制動盤，制動盤與閘片之間摩擦產生熱能。產生的熱能大部分由制動盤盤體吸收，熱機械耦合仿真時，在閘片與制動盤摩擦面貼合區域施加熱流密度載荷。同時，制動盤吸收的熱能在車輛運行過程又通過熱對流及熱輻射的方式傳遞到空氣中；考慮相對于對流換熱，通過輻射釋放的熱量較小，忽略輻射散熱。實際仿真時，在盤體散熱筋及盤環非摩擦面上施加對流換熱系數模擬散熱［5］。

2.3 制動工況定義

開發的系統可實現車輛1次制動、2次連續制動、3次連續制動及線路運行等不同類型工況的模擬，因此，需要針對不同工況編寫不同的載荷計算程序。這里僅以3次連續制動為例進行介紹。1次制動及2次連續制動工況與之類似，線路運行工況的載荷施加方法筆者在文獻［6］中進行了介紹。圖3所示為3次連續制動過程速度隨時間的變化曲線及對應的熱流密度及對流換熱系數變化曲線。

根據載荷曲線，將載荷曲線轉折點處的載荷值及時刻值輸入TABLE類型數組，即為加載所需的載荷TABLE表，其定義流程如圖4所示。

2.4 關鍵功能實現

（1）三維幾何模型導入

（2）載荷TABLE表定義

（3）載荷施加面定義及載荷施加

（4）制動盤溫度顯示及最大溫度值提取

（5）制動盤節點應力時間歷程曲線

2.5 菜單系統及對話框開發

根據之前設計完成的系統結構及具體的功能模塊組織管理編程得到APDL程序，生成各功能宏文件。采用UIDL語言及TCL/TK語言定制菜單及對話框系統，并在對話框中添加與宏文件的調用接口，完成系統界面開發。系統相關菜單及功能對話框如圖5所示。

3 仿真實例

以某城市地鐵車輛在AW3載荷狀態、平直道條件下連續3次純空氣緊急制動為例，并假設車輛加速及制動過程為勻加速及勻減速過程。其車輛及制動參數如表1所示，線路運行工況參數如表2所示。

仿真結束后得到的盤體上若干節點的溫度時間歷程曲線如圖6所示。

從圖中可以看出：制動開始后，盤體溫度逐漸上升；制動結束、立即起動加速后，盤體溫度逐漸減低；加速到最大速度時，盤體對流損失的熱能低于上次制動過程產生的熱能，盤體存儲的熱能進一步增加，盤體溫度逐漸升高。圖7為制動過程盤體溫度最高時刻的溫度云圖。散熱筋溫度低于摩擦面溫度，摩擦面溫度分布根據背部散熱筋分布情況而不同。3次連續制動過程盤面最高溫度為170.895℃，滿足制動盤材料溫度要求。

圖8、圖9分別為盤體上若干節點的應力歷程曲線及盤體應力最大時的應力狀況。

可以看出，盤體應力在制動過程迅速上升，在加速過程由于快速對流，盤體溫度降低，制動盤整體處于較低應力水平。盤體應力最大部位出現在摩擦面及散熱筋過渡處，最大應力為74.134 MPa，滿足盤體材料強度要求。

4 結 論

（1）對采用UIDL、TCL/TK及APDL語言進行ANSYS二次開發的方法進行了探討，給出了UIDL、TCL/TK與APDL混合編程的實現方法。

（2）針對不同工況，討論了制動盤熱機械耦合仿真的參數化實現方法，并給出了若干關鍵過程的實現代碼。

（3）開發了集成于ANSYS軟件環境下的制動盤熱機械耦合仿真集成系統，有效提高了制動盤設計工作的效率，具有一定的實用價值。

［1］ 夏毅敏，薛 靜，姚萍屏，暨智勇.高速動車組制動盤瞬態溫度與應力計算［J］.中南大學學報（自然科學版），2010，41（4）：1334-1339.

［2］ 黃健萌，高誠輝，唐旭晨，林謝昭.盤式制動器熱結構耦合的數值建模與分析［J］.機械工程學報，2008，44（2）：145-151.

［3］ Ali Belhocine，Mostefa Bouchetara.Thermal analysis of a solid brake disc［J］.Applied Thermal Engineering，2012，（32）：59-67.

［4］ Erica A.Abbott，Murray L.Scott.The case for multidisciplinary design approaches for smart fibre composite structures［J］.Composite Structures，2002，58（3）：349-362.

［5］ 闕紅波，錢坤才，金文偉.高速列車制動盤溫度及熱應力仿真分析［J］.機車車輛工藝，2009，（04）：9-11.

［6］ 方明剛，郭立賓，黃 彪，金文偉，廉 超.制動盤線路運行工況熱機械耦合模擬研究［J］.鐵道機車車輛，2013，33（5）：59-62.

Development of Thermal Mechanical Coupling Simulation System for Brake Disc

FANG Minggang，DU Liqing，GUO Libin，JIN Wenwei，HUANG Biao
（CSR Qishuyan Institute Co.，Ltd.，Changzhou 213011 Jiangsu，China）

The parametric simulation process was implemented through the APDL（ANSYS parametric design language）programming，which can realize the thermal mechanical coupling simulation of brake disc under different conditions.Accordingly，a simulation integrated system embedded into ANSYS was developed whose user interface was implemented through the UIDL（user interface development language）and TCL/TK language programming.The presented approaches can serve as rational guidance and proofs for the thermal mechanical coupling simulation of brake discs or other brake assembles，and the developed embedded simulation integrated system is of certain practical value.

brake disc；thermal mechanical coupling；parametric；system development

U270.351

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.17

1008－7842（2014）06－0069－05

6—）男，工程師（

2014－04－11）