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基于HyperWorks的某通风盘式制动器热-结构分析


基于 HyperWorks 的某通风盘式制动器热-结构分析

朱楚才 史建鹏 郭军朝

东风汽车公司汽车工程研究院 武汉 430058

摘要:通过对通风盘式制动器进行热-结构顺序耦合分析,了解制动盘在制动过 程中的温度场分布及热应力场分布等情况,为制动盘的优化设计提供了参考。 关键词:通风盘式制动器,顺序耦合热-结构分

析,温度场,热应力

1 概述

制动性能是汽车的一项极其重要的性能,而制动器则是其执行部件。乘用车的 盘式制动器是一种摩擦制动器, 它利用两个运动表面相互接触时所产生的摩擦阻 力, 短时内将汽车运动所产生的动能和势能转化为热能,从而达到使汽车减速或 停止运动的目的。 了解制动盘制动时的温度场分布, 有助于制动盘结构的优化设计与改进。 同时, 受制动盘的散热能力的影响, 制动时产生的热能并不能在瞬间全部散出,制动盘 内会有热能聚集并产生温升, 从而在盘体内产生热应力,热应力是影响制动盘的 使用寿命的重要因素。 详细了解制动过程中制动盘内的温度场分布状态,及热应 力的分布情况,对制动盘结构的合理设计具有重要的意义。

2 传热模型的建立

2.1 传热分析有限元法基本原理

热传导分析可以在热载荷下求解未知的温度和热流通量, 温度是体现物体热能 的量,而热流通量表示热能的流量。物体分子间的热能交换称为热传导,物体和 周围流体间的热能交换称为热对流, 热载荷一般由流进或流出物体的能量流来定

义。 在线性静态分析中,材料热物性如热传导率、对流换热系数,都是线性的,关 注的重点是最后平衡状态的温度和热流分布。基本的有限元方程式如下: ([Kc] + [H]){T} = {p}…………………………………………………………………(1) 其中,[Kc]为热传导率矩阵,[H]为边界自然对流矩阵,{T}为未知的节点温度, {p}为热载荷矢量。通过这个系统的线性方程来求解节点的温度{T}。热载荷矢量 可以表示为: {p} = {PB} + {PH} + {PQ}………………………………………………………………(2) 其中,{PB}为通过边界定义卡片 QBDY1 设置的热流通量所定义的能量,{PH}为 通过对流换热系数定义卡片 CONV 设置的边界热对流矢量,{PQ}为通过内部热能 生成定义卡片 QVOL 设置的能量矢量。 方程式(1)左侧的矩阵是未知的,除非温度边界已知。通过采用可以提高计 算效率的稀疏矩阵、对称高斯消元法,这个平衡方程式可同时计算未知的温度。 一旦单元的节点温度被求解,则温度梯度{?T}可通过单元的形函数计算获得。单 元热流通量可通过下式计算: {f} = [k]{?T}…………………………………………………………………………(3) 其中,[k]为材料的热传导率。 热载荷和边界在输入面板的体积载荷数据卡片中定义,在工况定义中,它们需 要通过 SPC 或 MPC 和 LOAD 卡片进行引用。

2.2 耦合的热-结构分析

每个热传导工况定义有一组温度信息, 在结构分析工况中, 可以通过定义 TEMP (LOAD)卡片引用这些信息,来完成热-结构耦合分析。结构强度分析中的温度 信息的 ID 和热传导分析中的 ID 是默认一致的, 它也可以通过 TSTRU 卡片来修改。 如果温度信息集合 ID 和体积载荷数据中温度信息集合 ID 相同,那么热传导分析 中的温度信息将覆盖体积载荷数据中的温度信息。 耦合的热-结构分析过程如下:先执行热传导分析以获取结构的温度场,这个 温度场将作为结构分析的载荷的一部分。通常采用简化的有限元网格,同时用于

热分析和结构分析。静态结构分析的有限元控制方程如下: [K]{D} = {f} + {fT}……………………………………………………………………(4) 其中,[K]为全局刚度矩阵,{D}为未知的位移矢量,{fT}为温度载荷,{f}为结构 载荷如集中力、压强等。位移矢量{D}通过线性求解器进行求解。 热-结构分析中的耦合是顺序的,热分析影响后续的结构分析,而结构分析通 常对热分析没有影响。

3 有限元建模 3.1 通风盘式制动器模型

某型轿车前通风盘式制动器包含 46 个通风槽,每一周期角为 7.826°。为了简 化计算,截取一个含通风槽的对称单体进行分析,结构如图 1 所示。模型的前处 理工作在 HyperMesh 中完成。

图 1 通风盘式制动盘片体简图

模型整体物理参数如表 1 所示,由已知物理参数推导出热流密度等物理量。

表 1 模型整体参数 整车满载质量 1630kg 摩擦块外半径 摩擦块内半径 通风槽外直径 通风槽内直径 125.0mm 89.6mm 157.6mm 254.8mm

制动力分配比例(前) 67% 制动器吸收损耗率 转动惯性因素 发动机最高功率 最高车速 工况车速 0-100 kmph time 100-0 kmph time 热沉温度 85% 1.1 187KW

通风槽外直径处宽度 5.0mm

183kmph 通风槽外直径处高度 8.0mm 120kmph 通风槽内直径处宽度 3.0mm 14.3s 4.0s 20℃ 通风槽内直径处高度 8.0mm 轮胎滚动半径 370mm

轮辋材料为铝合金,关节头材料为钢,制动盘材料为铸铁,部分材料的热物性 参数如表 2 所示。 表 2 材料热物性参数 温度 20 100 铸铁 200 300 400 500 铝 钢 —— —— 热传导系数[kgm/(s3· 比热容[m2/(s2· 线膨胀系数[1/k] k)[ k)] 61 64 67 63 58 52 179 56 526 562 606 1.25e-5 647 678 753 882 465 2.3e-5 1.1e-5

3.2 边界条件

图 2 热传导分析边界条件

图 3 热应力分析边界条件

传热分析边界条件如图 2 所示,热流从制动盘面的摩擦接触面部分(内、外两 个面) 进入制动盘。 在制动盘的相关表面, 存在热对流、 热辐射等散热边界条件。 假设制动盘面为理想平面, 周期对称截面处为绝热边界。所有零件的初始温度为 常数,20℃。 热应力分析边界条件如图 3 所示,定义柱形局部坐标系,约束轮辋、关节头内 径节点的 1、3 自由度,约束制动盘对称截面所有节点的 2 自由度,将热传导步 骤产生的温度场作为温度载荷输入。

3.3 工况设置及参数确定

工况设置为:初速为 120km/h 条件下,制动至停车,然后加速至 100km/h 并 保持该速度进行制动器的冷却散热。制动盘先经过制动过程温度升高,后在较高 车速下散热降温。根据推导计算,制动过程时间长度为 4.1s,散热冷却过程时长 定义为 60s。

3.4 计算结果

后处理工作在 HyperView、HyperGraph 中完成,如图 4~7 所示。在该制动工 况下,制动结束时刻的最高温度约为 242.8℃,经过散热冷却过程后,最高温度 降为 123.5℃。如图 5 所示,由于制动时间短,受热流在制动盘内部扩散速度的 影响,制动结束时,制动盘内部温度低于制动盘表面温度。如图 6 所示,经过散

热过程的热传导,制动盘表面和内部的温度基本趋于一致。

图 4 t=0.1s 温度场云图

图 5 t=4.1s 温度场云图

图 6 t=60s 温度场云图

图 7 节点 15978 温度-时间曲线

如图 7 所示, 该通风盘式制动盘制动过程中的最高温度并非发生在制动结束时 刻, 而是在制动结束前的某一时刻。 如制动过程中节点 15978 温度随时间变化曲 线图所示,该温度约为 271.4℃,节点 15978 位于制动盘内侧面。 如图 8~11 所示,随着温度的降低,热应力也逐渐降低。制动结束时刻,最大 应力约为 129.3MPa,经过散热冷却过程后最大应力降为约 70.9MPa。在制动盘

制动部位与固定部位间的连接部位处,有明显的应力集中现象,如图 8、图 9 所 示,建议适当调整该部位的过渡圆角尺寸。 如图 11 所示, 最大应力发生在制动过程的 t=1.5s 时刻, 最大应力约为 177.9MPa, 该最大应力发生在制动盘的外侧面。最大应力低于制动盘材料铸铁的许用应力 235MPa。

图 8 t=4.1s 应力分布云图

图 9 t=60s 应力分布云图

图 10 t=4.1s 位移分布云图

图 11 t=1.5s 时刻应力分布云图

4 结论

通过对汽车以 120km/h 初始速度制动工况的制动盘温度场和应力场的分析, 促 进了制动盘结构设计的改进和优化,为制动器的设计和制造提供了参考。

5 参考文献

[1] Hyperworks Help Documents [2] 杨世铭,陶文铨, 《传热学》第四版,北京:高等教育出版社,2006 [3] 谭真,郭广文, 《工程合金热物性》第一版,北京:冶金工业出版社,1994

Coupled Thermal-Structure Analysis of the Ventilated Disc Brake Based on HyperWorks

Zhu Chucai Shi Jianpeng GuoJunchao

Abstract: Coupled thermal-structure analysis is applied to the ventilated disc brake, and the temperature field and thermal stress distribution are understood during the braking process of car. This supplies references for the optimal design of brakes. Keywords: Ventilated Disc Brake,Coupled Thermal-Structure Analysis, Temperature Field, Thermal Stress


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