基于ANSYS制動(dòng)器溫度場(chǎng)的有限元分析

張群威 馮 凱

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，漯河 462000）

1 創(chuàng)建分析模型

1.1 優(yōu)化模型

濕式制動(dòng)器真實(shí)模型的建立會(huì)有一定的誤差，如果誤差太大，就會(huì)使有限元分析的計(jì)算結(jié)果失去意義。因此，必須要對(duì)有限元分析模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，有限元網(wǎng)格類型的選擇也會(huì)影響整個(gè)仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.1 劃分網(wǎng)格

有限元網(wǎng)格劃分的結(jié)果是否合理，是判斷有限元分析模型建立是否正確可靠的主要依據(jù)。有限元網(wǎng)格劃分是建立有限元分析模型的一個(gè)關(guān)鍵步驟，需要考慮的因素比較多，模型中每個(gè)部件的幾何結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)以及接觸關(guān)系等都會(huì)影響分析結(jié)果的精度，同時(shí)還要注意選擇的單元網(wǎng)格類型和大小會(huì)影響計(jì)算規(guī)模，網(wǎng)格劃分如果不合理就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法進(jìn)行。

選擇Main Menu命令，彈出實(shí)體選擇對(duì)話框，用鼠標(biāo)選擇矩形4條邊線，在“Element edge length”文本框中輸入“25”，單擊“OK”按鈕得到網(wǎng)格分析模型。

1.2 添加溫度邊界條件

在軟件中，把摩擦片外的表面、方向位移的自由度進(jìn)行約束，只允許摩擦盤(pán)沿著軸向來(lái)回自由移動(dòng)，并且約束鋼盤(pán)使其只能沿軸旋轉(zhuǎn)，施加均勻分布的制動(dòng)壓力。整個(gè)摩擦制動(dòng)系統(tǒng)初始溫度設(shè)置為20℃。

在菜單欄選擇Main Menu命令，在彈出的實(shí)體選擇對(duì)話框中，選中模型左邊線，接著在出現(xiàn)的對(duì)話框中設(shè)置“Load PRES value”為“20”，單擊“OK”。

2 定義約束參數(shù)

建立濕式多片制動(dòng)器三維模型，通過(guò)簡(jiǎn)化得到了對(duì)應(yīng)的有限元分析模型。同時(shí)，運(yùn)用網(wǎng)格劃分模塊對(duì)所建立模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)仿真分析得到制動(dòng)過(guò)程中摩擦副溫度場(chǎng)的變化情況，掌握摩擦盤(pán)和鋼盤(pán)不同時(shí)段熱流傳遞趨勢(shì)，并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)。對(duì)溫度場(chǎng)分布不均的衍生問(wèn)題進(jìn)行研究，研究了摩擦副尺寸和材料對(duì)熱點(diǎn)問(wèn)題的影響。建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字仿真和模擬仿真，對(duì)此兩種仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.1 定義單元類型及常數(shù)

在ANSYS程序主界面中選擇Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，彈出“Real Constants”對(duì)話框。單擊“Add”按鈕，進(jìn)行下一個(gè)“Choose Element Type”對(duì)話框，選擇“Plane82”單元，單擊確定，在THK文本框中輸入“20”，定義厚度為20mm。

2.2 定義材料參數(shù)

濕式制動(dòng)器摩擦盤(pán)的材料為無(wú)石棉的紙基摩擦材料，密度為1450kg/m3，濕式制動(dòng)器泊松比為0.3；鋼片的材料是45#鋼，密度為7850kg/m3，泊松比為0.269。

表1 制動(dòng)片特性參數(shù)

3 求解及優(yōu)化

選擇Main Menu→Solution→Solve→Current LS命令，彈出的窗口包括所要計(jì)算模型的求解信息和載荷步信息。單擊上圖“OK”按鈕，軟件開(kāi)始進(jìn)行分析計(jì)算。

在不同制動(dòng)時(shí)刻，濕式制動(dòng)器摩擦片表面整體溫度場(chǎng)分布情況不同。為了使?jié)櫥土鲃?dòng)，摩擦盤(pán)表面對(duì)稱分布徑向油槽，這些油槽把摩擦盤(pán)分成了形狀相同的幾個(gè)部分。由于所受壓力均布在摩擦盤(pán)表面，各區(qū)域的溫度場(chǎng)總體分布狀況相似。同一時(shí)刻，外徑處的溫度明顯高于內(nèi)徑，這是由于相同角速度下，滑動(dòng)半徑越大，摩擦盤(pán)的相對(duì)滑動(dòng)速度越大，導(dǎo)致摩擦產(chǎn)生熱量就越大。摩擦盤(pán)油槽區(qū)域的溫度明顯低于與發(fā)生接觸的區(qū)域，這是由于油槽未與鋼盤(pán)接觸，沒(méi)有摩擦熱產(chǎn)生，只靠熱傳遞使溫度上升。

在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，摩擦盤(pán)同一位置的溫度隨著制動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，在結(jié)束時(shí)出現(xiàn)最高溫度。在持續(xù)制動(dòng)的前半段時(shí)間內(nèi)，溫度升高相對(duì)較快，在后半段溫升速度降低。在制動(dòng)停止時(shí)，摩擦盤(pán)便停止相對(duì)滑動(dòng)，不再產(chǎn)生熱量，因而溫度不再升高，并且由于對(duì)流散熱溫度還有所下降。

結(jié)合摩擦盤(pán)沿半徑切面的溫度分布狀況進(jìn)行分析，摩擦片的熱源在摩擦片與鋼片的接觸表面，摩擦盤(pán)熱量的流動(dòng)方向是從摩擦盤(pán)表面到摩擦盤(pán)內(nèi)部。由于熱量的傳遞速度要小于生熱速度，摩擦盤(pán)表面的溫度比內(nèi)部溫度要高。因此，熱流主要由摩擦表面流向摩擦盤(pán)內(nèi)部，隨著熱流不斷流入，內(nèi)部溫升速度加快。摩擦盤(pán)外徑處溫升速度也要大于內(nèi)徑處，在內(nèi)部徑向方向也產(chǎn)生溫度梯度。摩擦片內(nèi)徑邊緣區(qū)域的溫度在整個(gè)摩擦制動(dòng)過(guò)程中變化不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要使用ANSYS對(duì)全封閉濕式制動(dòng)器的溫度場(chǎng)在不同時(shí)刻分布規(guī)律以及溫度場(chǎng)相關(guān)熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先闡述了有限元計(jì)算的數(shù)學(xué)理論，分析了摩擦制動(dòng)生熱理論和熱傳導(dǎo)理論等問(wèn)題，并建立了濕式多片制動(dòng)器的三維熱傳導(dǎo)模型。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]機(jī)械工程師手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]張文明，申炎華，張衛(wèi)鋼.濕式制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程和摩擦溫度場(chǎng)的研究.有色金屬工程，1997，（1）：14-19.