基于ANSYS的制动盘热固耦合分析
1 ANSYS软件简介ANSYS是美国ANSYS公司设计开发的大型通用有限元计算软件，是一个融结构、热、流体、电、磁。声学于一体的大型通用有限元软件。作为目前最流行的有限元软件之一，它具备功能强大、兼容性好、使用方便、计算速度快等优点，成为了工程师们开发设计的首选，并广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域。其特点如下：
1)能实现多场及多场耦合分析
2)能实现统一前处理、求解、后处理及多场分析数据库的大型FEA软件
3)具有多物理场优化功能的FEA软件
4)较为强大的非线性分析功能
5)多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置
6)支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容
7)强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行
8)多种自动网格划分技术
9)良好的用户开发环境
2 制动盘有限元模型的建立
本课题设计的制动盘为双摩擦面带中间散热筋板的自通式制动盘。在有限元计算分析时为提高计算效率，在计算过程中对模型做了必要的简化处理，最后选为单摩擦面施加对称约束并进行有限元计算。制动盘和制动片单元类型选用实体单元SOLID5。该问题属于摩擦生热为题，选择CONTA173接触单元和TARGE170目标单元生成接触对。模型材料特性参数见表5-1。制动盘的几何三维模型见图5-1。对其进行网格划分，划分网格后的有限元模型见图5-2所示。
表5-1 制动器模型材料的特性参数
图5-1 制动盘的几何三维模型
图5-2 划分网格后的有限元模型图
3 施加边界约束及制动盘温度场计算分析
热分析模型边界条件的确定是温度场分析的关键所在，本文采用理论推导与实际分析相结合的方法，制动盘施加轴向转动，制动片施加轴向的移动。制动前，制动盘温度等于环境温度，计算制动盘所在的工作环境温度确定，这里取工作环境平均温度为25℃。制动初速度为100Km/h，施加到制动片上的力为890N，依次进行温度场-应力场计算分析。图5-3分别给出了制动过程中10s、16.4s(最高温度时刻)、30s(制动结束时刻)及60s(停车后30s)时制动盘温度场的分布云图，图5-4为制动盘表面最高温度随时间变化曲线。
a) 升温过程中，t=10s
b) 最高温度时刻，t=16.4s
c) 制动结束时刻，t=30s
d) 制动结束后30s，t=60s
图5-3 制动开始后几个典型时刻制动盘温度场分布云图
图5-4 摩擦面最高温度随时间变化曲线
分析可知，制动开始后，制动盘摩擦面温度急剧上升，在制动开始10s时，盘面温度已达到128℃，且温度集中分布在盘体摩擦面一侧，散热筋板根部的最高温度约为43℃。这是因为，在这一时间段内，由于热量尚未传到散热筋上，制动盘的热量输入远大于制动盘的散热能力，热量在盘内积聚，使盘体温度急剧增加。
同时，从温度变化曲线可以看出，由于热流密度随时间的增加而降低，温度变化梯度呈下降趋势。随着制动过程的继续，温度变化梯度进一步降低，热能逐渐向盘体内、外径向方向及散热筋上传递，制动盘的散热能力增强，到制动开始16.4s时，制动盘的热量输入与热量散失达到平衡，盘面温度达到最高为183℃，此时散热筋板根部温度约为61℃。此后，随着制动时间的延续，热能继续向盘面内、外径向方向和散热筋板传递，制动盘散热能力增强，盘面温度开始下降，温度变化梯度也随热流密度的降低进一步减小，到制动结束时，制动盘摩擦面中部和散热筋板根部的温度相差不到70℃。
制动结束后，辐射成为热量散失的主要形式。随着制动时间的进一步推移，盘体与散热筋板滞见得温度差逐渐减小，到制动结束后30s时，散热筋板的温度已接近61℃，与盘体的最高温度106℃仅差30℃。
4 制动盘热应力场计算及分析
由制动盘的温度场瞬态分布计算结果，再利用ANSYS 软件可以求得制动盘的应力场。运用中的制动盘除受热膨胀引起的应力外，还存在闸片的压力和摩擦力，及由于制动盘旋转旋转引起的离心力、振动载荷以及压装载荷等作用产生的应力，但这些因素对制动盘总应力的影响一般不高于20MPa(参考文献)，远不及热应力的影响，因此，在结构分析中忽略这些因素，仅考虑热应力的影响。经 ANSYS 求解，同样可以得到任意时刻制动盘任意位置的应力值和制动盘的变形情况。图5-5为制动过程中第10s(升温过程10s)，11.5s(整个制动盘的最高应力时刻)，30s(制动结束时刻)，60s(制动结束30s)时制动盘上应力分布云图，图5-6为制动盘上的合位移分布云图。
a) 升温过程中，t=10s
b) 最大应力时刻，t=11.5s
c)制动结束时刻，t=30s
d)制动结束后30s，t=60s
图5-5 制动开始后几个典型时刻制动盘应力分布云图
a) 升温过程中，t=10s
b) 最大合位移时刻，t=11.5s
c)制动结束时刻，t=30s
d)制动结束后30s，t=60s
图5-6 制动开始后几个典型时刻制动盘合位移分布云图
从上面分析图可以看出，不同时刻制动盘的最高应力值及出现的位置均有所不同。在制动开始初期，由于制动盘摩擦面的温度始终是最高区域，制动盘摩擦面的热膨胀也最大，此处的应力也就最大，且在制动开始约10s 时，制动盘面的应力达到228MPa，合位移为0.11mm。而整个制动过程中制动盘的最大应力值为271MPa，最大位移值为0.15mm，发生于制动开始后11.5s，出现在制动盘长散热筋板。这是因为，热量传导至散热筋板需要一定的时间，制动开始时散热筋板的温度还比低，此时散热筋板的形状基本保持不变，而随着盘体的热膨胀增加，使得盘体热变形呈鼓形，且由于长散热筋板的径向跨度较大，及此处存在有应力集中现象，所以此处应力水平也最高。随着制动过程进一步延续，盘体和散热筋板之间的温度差逐渐减小，散热筋板根部的应力也逐渐降低，而由于制动盘辐板与盘体距离较远，辐板上的温度始终较低，使得辐板在整个制动过程中的形状基本保持不变，随着盘体的膨胀，温度较低的辐板约束着盘体的径向及轴向变形，使得此处逐渐成为高应力区，在制动结束时，此处的应力高达184MPa，合位移值为0.08mm，在制动结束30s后，此处应力达139MPa，合位移值为0.05mm。
图5-7为制动盘表面最大应力随时间变化曲线，与图3相比可以发现，最大应力发生的时刻较最高温度发生的时刻提前了约5s，可见温度最高值和应力最大值并非发生于同一时刻，温度达到最大值之前应力已经开始降低了。由此可见，热应力的大小不仅取决于温度场的分布，与制动盘空间结构也有密切的关系。
图5-7 制动盘最大应力随时间变化曲线
5 结论
借助于 ANSYS 有限元分析软件，通过对此乘用车制动盘的热固耦合分析，基本了解了制动过程中温度场和应力场的分布情况，有助于预测盘体热损伤敏感区，对新型制动盘的结构设计和材料的选取具有很好的参考价值。
但是，由于汽车制动过程是一个涉及摩擦学、传热学、流场动力学等多门学科的问题，本节只是采用有限元法对其温度场和应力场进行了简单分析，加之作者水平、精力有限，还有好多问题亟待解决。如本文中采用相关参数都比较固定，实际上在制动过程中制动压力、摩擦系数等重要参数并非固定不变且相互间还存在有某些复杂联系。其次，本节中对温度场热传导的对流换热系数作了简化的选取，其实，对流换热系数的求解是一个复杂的空气流场问题，且其对制动盘散热起决定性作用，而这个问题是可以通过有限元理论并借助ANSYS 软件进行求解的，本课题对此没有研究;诸如此类的问题还有制动过程中的热机效应现象等。这些问题都需要在以后工作中探索和研究。
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