ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的制動蹄輕量化設計

趙國偉，唐進元，張質子(中南大學 高性能復雜零件制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的制動蹄輕量化設計

趙國偉，唐進元，張質子
(中南大學 高性能復雜零件制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

以制動器強度和剛度作為約束條件，采用計算機輔助集成技術對領從蹄式制動器中的制動蹄進行輕量化設計研究。使用ABAQUS軟件對領從蹄式制動器進行有限元分析，得到制動蹄的應力分布情況，并提取分析過程中制動鼓受到的摩擦力矩。通過ISIGHT軟件集成CATIA和ABAQUS對制動蹄進行參數優化，對優化結果再次使用ABAQUS進行進一步分析，以提高分析精度，確定制動蹄最終的優化尺寸。研究結果表明：由分析得到的摩擦力矩與實驗的制動力矩比較可知基于ABAQUS的分析步驟與方法正確可行。使用輕量化方法對制動蹄進行輕量化設計的效果較好，質量降低17.87%，應力僅增加2.86%，既實現了制動蹄的輕量化，又保證了制動蹄的強度和剛度。研究結果可為同類產品的有限元分析以及輕量化設計提供參考。

制動蹄；輕量化；有限元分析(FEM)；ISIGHT軟件

汽車制動器主要分為盤式制動器和鼓式制動器，是汽車制動系統的主要零部件。盤式制動器由于其熱穩定性好、反應靈敏、散熱性好、噪聲低等優點在汽車行業中得到廣泛應用[1-2]。鼓式制動器是利用摩擦力實現減速、停車或駐車的裝置，因其制動效能高、結構簡單、價格便宜得到廣泛使用[3-4]。領從蹄式制動器是鼓式制動器的一種，具有結構簡單、造價較低、便于附裝駐車制動裝置等特點[5]，廣泛應用于中、重型載貨汽車的前后輪及轎車的后輪制動。劉惟信[6]系統地研究了汽車制動系統的工作原理，從幾何學角度研究了汽車制動系統的設計計算方法。在鼓式制動器的制動性能分析方面，HOHMANN等[7-9]對鼓式制動器進行了有限元分析，研究了制動過程中接觸力的分布情況。目前，鼓式制動器的研究主要涉及制動器的設計、加工以及制動性能的分析與提高等方面[10-11]，但有關制動器的輕量化研究還處于起步階段。現有的輕量化設計方法大都是先用有限元軟件進行分析，然后將應力較小的區域去掉[12-13]；或是建立相關零件的數學模型，然后利用數值方法對相應的尺寸進行優化[14]。上述2種方法中，前者需要進行多次建模和分析，工作量大且難以確定最佳的優化值，后者需要對模型進行大量簡化，且對于一些復雜的模型如制動蹄、制動鉗體等無法通過該方法實現輕量化。隨著市場競爭日益激烈，機械產品的更新換代越來越快，為進一步縮短產品研發周期并保證機械產品設計的可靠性，很多軟件開發商都致力于開發可以實現對CAD和CAE進行聯合仿真的軟件，ISIGHT是其中之一。目前，通過ISIGHT軟件集成CAD和CAE軟件進行輕量化設計成為機械產品輕量化領域研究的熱點[15-16]。本文作者研究利用ISIGHT軟件集成CATIA 和ABAQUS軟件對具有定心凸輪張開裝置的領從蹄式制動器的制動蹄進行輕量化設計。首先通過分析與實驗相結合的方法，對使用有限元分析軟件ABAQUS分析制動蹄時采用的相關參數的設置等關鍵技術進行驗證，證明有限元分析過程的正確性。然后使用計算機輔助優化軟件ISIGHT集成CATIA和ABAQUS進行輕量化參數優化，得到較好的優化結果和滿意的輕量化效果。

1　領從蹄式制動器有限元分析方法與技術

1.1領從蹄式制動器有限元模型的建立

具有定心凸輪張開裝置的領從蹄式制動器的結構簡圖如圖1所示。圖1中制動鼓與車輪輪轂通過螺栓連接，制動蹄通過支撐銷安裝在制動底板上，摩擦片通過鉚釘安裝在制動蹄上。制動時，定心凸輪逆時針轉動，通過滾輪將兩蹄撐開，使摩擦片與制動鼓接觸，從而實現車輛的制動。

領從蹄式制動器中的零件較多，有限元分析時需要對其進行一定地簡化。本次有限元分析所用模型由制動鼓、制動蹄和摩擦片組成。被簡化的零部件對當前零部件的作用以載荷或邊界條件的形式施加到相應的作用區域。領從蹄式制動器劃分網格后的有限元模型如圖2所示。

1.2約束與加載

1.2.1施加約束

領從蹄式制動器的摩擦片與制動鼓之間建立接觸約束，摩擦片與制動蹄之間建立綁定約束，制動蹄的受力端和固定端的表面以及制動鼓內孔表面與其對應軸線上的參考點建立耦合約束，如圖3所示。

1.2.2施加載荷與邊界條件

領從蹄式制動器的分析分為2步：第1步給蹄的受力端(圖 3中參考點RP-4和RP-5)施加張力將兩蹄撐開，實現張力的加載，并使摩擦片與制動鼓充分接觸，領蹄和從蹄上施加的張力的大小分別為25.3 kN 和84.0 kN，方向如圖3所示，與水平方向的夾角均為0.266 3 rad；第2步通過參考點RP-1給制動鼓施加1 個0.3 rad的轉角。以上2步中都約束住制動鼓內孔和蹄的固定端除繞其軸線轉動以外的自由度。載荷隨時間的變化情況見圖 3。

1.3結果分析

根據有限元分析結果，領從蹄式制動器中最大主應力出現在從蹄上，其大小和分布情況如圖4所示。

在ABAQUS的后處理模塊中可以得到制動鼓受到的摩擦反力矩。分析得到的制動鼓的摩擦反力矩與實驗獲得的制動力矩如圖5所示。

對比圖5中的2條曲線，可以看出有限元分析的過程與制動器實際制動過程基本一致。即在摩擦片和制動鼓產生相對運動之前，制動力矩(或摩擦反力矩) 為0 kN·m，開始制動后制動力矩在很短的時間內達到最大值，直到制動結束。

由圖5可知：有限元分析得到的領從蹄式制動器的摩擦反力矩為20.6 kN·m，實驗測得的領從蹄式制動器的制動力矩為19.932 kN·m。有限元分析結果與實驗值之間的相對誤差為3.35%。由此說明上述有限元分析步驟與方法正確可行。

圖3　領從蹄式鼓式制動器的約束與加載情況Fig.3　Constraints and loading conditions of leading-trailing shoe brake

圖4　制動蹄的應力分布Fig.4　Stress distribution of brake shoe

圖5　實驗與分析得到的制動力矩Fig.5　Braking torque got by experiments and analysis

由圖4可以看出：制動蹄上的最大主應力為230.9 MPa。而該制動蹄所用材料的屈服極限為310 MPa，強度極限為450 MPa。因此，制動蹄還有一定的輕量化空間。

2　ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的領從蹄式制動器輕量化設計

2.1優化流程

圖6所示為本文所使用的輕量化設計的流程圖。由圖6可以看出：在輕量化開始之前首先要確定輕量化對象并確定需要優化的位置。本文的輕量化對象為制動蹄，要優化的位置為壁板內側區域(見圖4)；然后在CATIA中建立用于有限元分析的模型(包括制動鼓、摩擦片、制動蹄等)，并通過宏錄制記錄修改優化變量的過程；再使用ABAQUS對該模型進行有限元分析，在ABAQUS的默認路徑中找到本次分析產生的“abaqus.rpy”文件，并將其改為“abaqus.py”文件(該文件中記錄了此次有限元分析的命令程序)，為之后的集成優化作準備；最后在ISIGHT中通過宏文件和“abaqus.py”文件中的程序調用CATIA和ABAQUS對制動蹄進行優化分析；待優化完成后再對優化結果進行處理。若結果可行，則可以根據輕量化結果試制產品；若結果不可行，則尋找產生問題的原因，待問題解決后重新進行上述操作。

圖6　輕量化設計流程圖Fig.6　Flow diagram of lightweight design

2.2ISIGHT集成CATIA和ABAQUS

在 ISIGHT中主要用到 Optimization組件和Simcode組件來實現對制動蹄的輕量化。其中Optimization組件為優化組件，用于選擇優化算法、設置優化變量、和優化目標等；Simcode組件是通用集成接口，可以將需要的CAD，CAE或自編程序集成到ISIGHT框架中。

圖7所示為在ISIGHT中集成CATIA和ABAQUS的優化框架。使用Simcode組件來集成CATIA，ABAQUS和Delete模塊。其中CATIA模塊通過宏命令更改優化變量，并為有限元分析提供必要的模型文件；ABAQUS模塊通過“abaqus.py”文件中的程序對更改后的模型進行有限元分析，并輸出優化目標的值；Delete模塊由自編程序組成，主要用于刪除當前循環產生的中間文件，以保證下一個循環順利執行。

圖7　ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的優化框架Fig.7　Optimization framework ISIGHT integratedABAQUS and CATIA

2.3設置Optimization組件

制動蹄的優化變量為壁板的厚度，見圖4。選擇壁板內側對應的半徑為優化變量，記為α(取值范圍為178.5~184.0 mm)。優化目標為有限元分析中得到的制動蹄的體積和最大主應力。優化算法選用窮舉法，使α在其取值范圍內每隔0.01 mm改變1次，然后創建新的模型，并調用ABAQUS對其進行分析計算。

2.4優化結果

優化完成后可以在ISIGHT的History菜單中以列表的形式查看優化結果，也可以在Graphs菜單下以圖表的形式查看。圖8所示為優化得到的制動蹄的最大主應力和體積與優化變量α之間的關系。經驗計算可知：圖8中個別偏差較大的分析結果是讀取模型時的誤操作引起的，是無效的分析結果。

圖8　最大主應力和體積與α的關系Fig.8　Relations with the maximum principal stress and volume ofα

2.5優化結果處理

由圖8可見：隨著α增加，制動蹄的最大拉應力逐漸增大，體積逐漸降低。根據ISIGHT的優化結果，除個別尺寸以外，大多數尺寸均滿足設計要求。

為了提高分析精度，保證優化結果的可靠性，并確定制動蹄最終的優化尺寸。在ISIGHT的優化結果中選取部分尺寸并使用ABAQUS對其進行網格細化后再分析，部分分析結果如表 1所示。

表1　優化分析結果Table 1　Result of optimization analysis.

由表1可知：隨著α逐漸增加，制動蹄的最大主應力和體積的變化情況與圖8所示優化結果一致，且當α變化到183 mm之后，制動蹄上應力增大的趨勢比較明顯。

圖9所示為從蹄壁板附近區域的應力分布。在ABAQUS的后處理模塊中可以觀察不同尺寸下壁板附近應力的變化情況，圖9(b)和圖9(c)所示分別為α等于178.5 mm和183.5 mm時從蹄壁板附近的應力分布情況。

圖9　從蹄壁板附近區域的應力分布Fig.9　Stress distribution of wall of trailing shoe

由圖9可見：α為183.5 mm時的應力比178.5 mm時的大，且高應力區域的面積也更大。通過觀察不同α值對應的分析結果發現：隨著α的逐漸增大，壁板附近應力越來越大，分布面積也越來越廣，且最大應力區域從圖 4中的輻板內側轉移到壁板附近(圖9(c))。

結合表1和圖9，對比不同α的壁板附近區域的應力分布情況，確定最終的優化變量α為182 mm，對應的最大主應力為237.5 MPa，體積為1.099×106mm3，從表 1可知：優化前制動蹄對應的最大主應力為230.9 MPa，體積為1.298×106mm3。通過優化，制動蹄的質量減小1.82 kg，較優化前降低了17.87%；應力增加了6.6 MPa，較優化前增加了2.86%。由此可見，輕量化效果較明顯。

3　結論

1)建立了使用ABAQUS分析領從蹄式鼓式制動器的方法，并根據分析得到的摩擦力矩與實驗的制動力矩相比較驗證了分析方法的可行性。

2)建立了ISIGHT集成CATIA和ABAQUS的優化流程，使得輕量化設計能高效可靠進行，輕量化效果明顯，制動蹄的質量減少了17.87%；制動蹄上的最大應力僅增加了2.86%，滿足強度要求，較好地達到了輕量化設計的目的。

3)本文使用的輕量化設計方法同樣適用于其他機械零部件，尤其是在汽車的輕量化研究領域。

[1]黃健萌,高會凱.盤式制動器熱力耦合分析的研究進展[J].中國工程機械學報,2013,11(4):364-369. HUANG Jianmeng,GAO Huikai.Thermo-mechanical coupling analysis on disc brakes[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2013,11(4):364-369.

[2]VONWAGNERU,HOCHLENERTD,HAGEDORNP. Minimal models for disk brake squeal[J].Journal of Sound and Vibration,2007,302(3):527-539.

[3]LEE J M,YOO S W,KIM J H,et al.A study on the squeal of a drum brake which has shoes of non-uniform cross-section[J]. Journal of Sound and Vibration,2001,240(5):789-808.

[4]王庭義,呂鵬民,蘭吉光,等.鼓式制動器制動過程動力學仿真[J].中國公路學報,2010,23(6):115-119. WANG Tingyi,Lü Pengmin,LAN Jiguang,et al.Dynamic simulation of brake process on drum brake[J].China Journal of Highway and Transport,2010,23(6):115-119.

[5]張海軍,谷正氣,楊易,等.鼓式制動器低頻振動的分析與改進[J].汽車工程,2009,31(11):1060-1065. ZHANG Haijun,GU Zhengqi,YANG Yi,et al.Analysis and Improvement of low-frequency vibration of drum brake[J]. Automotive Engineering,2009,31(11):1060-1065.

[6]劉惟信.汽車制動系的結構分析與設計計算[M].北京:清華大學出版社,2004:1-40. LIU Weixin.Structural analysis and design calculation of automotive brake system[M].Peking:TsingHua University Press, 2004:1-40.

[7]HOHMANN C,SCHIFFNER K,OERTER K,et al.Contact analysis for drum brakes and disk brakes using ADINA[J]. Computers and Structures,1999,72:185-198.

[8]楊國俊,李偉平.有限元分析在鼓式制動器設計中的應用[J].機械設計與制造,2007(4):14-15. YANG Guojun,LI Weiping.Finite element analysis in the design of drum brake[J].Machinery Design&Manufacture,2007(4): 14-15.

[9]鄭小艷,丁煒琦.蹄-鼓式制動器接觸分析[J].金屬加工:冷加工,2013(1):78-80. ZHENG Xiaoyan,DING Weiqi.Contact analysis of shoe drum brake[J].Metal Working:Cold Working,2013(1):78-80.

[10]SOMNAY R,SHIH S,JOHNSTON P.Improved drum brake performancepredictionconsideringcoupledthermaland mechanical effects[J].SAE transactions,2001,110(2):284-291.

[11]孫麗.鼓式制動器設計與效能分析[J].現代制造工程, 2010(8):66-68. SUN Li.Design and permance analysis of drum brake[J].Moder Manufacturing Engineering,2010(8):66-68.

[12]王宏斌.盤式制動器輕量化設計研究[J].汽車零部件, 2011(8):58-61. WANG Hongbin.Caliper brake light-weight research and design[J].Automobile Parts,2011(8):58-61.

[13]KIM J G,JANG G W.Development of a lightweight frame for a 40-footflatbedtrailerbyusingCAE-basedstructural optimization[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of Automobile Engineering,2011, 225(5):643-652.

[14] 潘金坤.基于iSIGHT的鼓式制動器多目標優化設計[J].制造業自動化,2011,30(5):114-117. PANJinkun.Multi-objectiveoptimizationdesignof drum-fashioned brake based on iSIGHT[J].Manufacturing Automation,2011,30(5):114-117.

[15]PARK H S,DANG X P.Structural optimization based on CAD-CAEintegrationandmetamodelingtechniques[J]. Computer-Aided Design,2010,42(10):889-902.

[16]LIM K H,LI X,GUAN Z D.Optimal design of advanced grid stiffened composite cylindrical shell[J].Applied Mechanics and Materials,2013,330:681-686.

(編輯羅金花)

Brake shoe’s lightweight design based on ISIGHT integrated CATIAandABAQUS

ZHAO Guowei,TANG Jinyuan,ZHANG Zhizi
(Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing, Central South University,Changsha 410083,China)

Computer aided technology for brake shoe’s lightweight study with brake’s strength and stiffness as constraints was used.The leading shoe and trailing shoe brake were analyzed by ABAQUS software,and the stress distribution of brake shoes and the friction torque of drum were obtained.Brake shoe was optimized by ISIGHT software integrated CATIA and ABAQUS.To improve the accuracy of analysis and ensure brake shoe’s optimization size,ABAQUS was used to analyze the optimization results again.The results show that the ABAQUS analysis steps and methods are correct and feasible by comparing the friction torque and the barking torque gotten by experiment.This lightweight method can make a good effect on brake shoe,i.e.the mass decreases by 17.87%,and stress only increases by 2.86%.This research work realizes the lightweight design for brake shoe and guarantees its strength and stiffness,It can provide technical information and reference for similar products finite element analysis and lightweight design.

brake shoe;lightweight;the finite element analysis(FEA);ISIGHT software

唐進元，博士，教授，從事汽車零部件的有限元分析和輕量化設計研究；E-mail:jytangcsu_312@163.com

TH132.41

A

1672-7207(2016)07-2260-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.012

2015-08-15；

2015-10-15

國家自然科學基金資助項目(51275530)(Project(51275530)supported by the National Natural Science Foundation of China)