103-盘式制动器热-结构耦合分析

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1、第五届中国CAE工程分析技术年会论文集盘式制动器热---结构耦合分析-结构耦合分析刘佩佩，申焱华北京科技大学土木与环境工程学院100083摘摘摘摘要要要要：在制动盘和摩擦片间建立接触关系，模拟制动盘的减速运动，较真实地模拟制动器的制动过程，根据盘式制动器的实际尺寸在ABAQUS/Explicit环境中建立制动器三维瞬态温度场-应力场耦合有限元模型。通过分析获得盘式制动器紧急制动情况下温度场和应力场，研究温度场时间上和空间上的分布情况，总结温度场的分布规律；对比分析制动器热应力和结构应力，总结应力场

2、的分布规律，并验证热应力研究对制动器应力分析的重要性。关键词：盘式制动器、温度场、应力场、耦合分析111引言1引言盘式制动器在工作中制动盘和摩擦片之间产生大量的摩擦热，会使制动器的工作表面产生局部高温、表面氧化、热疲劳磨损，还会产生各种热变形，最终使摩擦制动器失效，所以热分析对制动器设计十分关键。当物体各部分温度发生变化时，物体将由于热变形而产生线应变，这时，由于约束或各部分温度变化不均匀，热变形不能自由进行，物体中会产生应力，这种应力称为热应力。制动摩擦热导致的热弹性变形也使得接触界面间的接触状

3、态发生变化，也就是说接触界面的压力分布是时间的函数，这种压力的变化进而又影响到界面摩擦热流分布的变化，从而会影响[1]温度的变化。由此可见，摩擦制动器的热问题是温度场与应力场的耦合问题。对盘式制动器单独进行温度场分析或者应力场分析，都不能获得准确数据。本文对SGA50矿用汽车的制动器进行热分析，充分考虑温度和应力之间的相互作用，建立热-结构耦合模型，进行温度场和应力场的分析。222制动器2制动器热热热-热---结构耦合结构耦合分析计算模型建立在ABAQUS环境中建立制动盘和摩擦片的实体模型，由于制

4、动器结构上和热传导上是对称分布的，因此建模时建立一半的模型。本文将制动盘和摩擦片作为统一整体来建立模型，两者之间不是相互分离无关联的，而是通过建立摩擦接触关系将两者联系起来，在盘和片间分配合适的摩擦系数，可以模拟真实工况。为了模拟制动盘的减速运动，在直角坐标系原心处建立参考点，建立参考点与制动盘内圈的刚性接触关系。首先在参考点施加初始运动角速度场，之后施加减速度载荷，同时约束参考点其他方向的速度自由度，这样便实现了制动盘的减速运动。图1制动器热-结构耦合分析实体模型644第五届中国CAE工程分析技

5、术年会论文集在建立热-结构耦合分析模型时，做如下假设：(1)盘、片接触界面为理想平面；(2)作用在制动片背面的压力均匀分布；(3)内外两侧的制动片所产生的热负荷相等，即温度场对称于制动盘中心平面；(4)忽略材料磨损的影响，认为动能全部转化为摩擦热而被摩擦副吸收。在计算时，把制动盘与摩擦片的热流输入都当作边界热流输入来处理，则摩擦表面输入热流密度满足：q(r,t)=m×p(r,t)×v(r,t)=m×p(r,t)×w(t)×r式(1)式中μ—制动盘与摩擦片间的摩擦系数；p(r,t)—摩擦表面上的比压

6、，这里视为常数，MPa；v(r,t)—零件的相对移动速度，m/s；ω(t)—制动盘角速度，rad/s；r—径向坐标，m。(5)摩擦片作为强度热源；(6)盘、片接触区域内界面温度相等；(7)轮胎与地面之间的附着系数以及滑移率在制动过程中没有发生变化，车轮处在纯滚动运动状态。333边界条件及3边界条件及计算数据的的的确定的确定3.13.1热传导方程3.1热传导方程建立的计算模型如图1所示，盘、片在直角坐标参考系下的热传导方程为：¶Td¶¶Td¶¶Td¶¶Tdrc()=k{()+()+()}(W)式(2

7、)ddd¶t¶x¶x¶y¶y¶z¶z¶Tp¶¶Tp¶¶Tp¶¶Tprc()=k{()+()+()}(W*)式(3)ppp¶t¶x¶x¶y¶y¶z¶z输入到盘和片的摩擦热流密度qd和qc分别为：q=FFt.v式(4)dwfq=1(-F)Ft.v式(5)cwf式中Fw—输入到盘的摩擦热流密度的权值（0≤Fw≤1）；Ff—摩擦功率转化为热流密度的权值（0≤Ff≤1），本文认为摩擦功全部转化为摩擦热，故取1；τ—摩擦力τ=fp，Pa；v—盘、片相对滑动速度，m/s。3.23.2材料属性3.2材料属性本文研

8、究的是盘式制动器，其制动盘选用的材料为ZG1Cr13，摩擦片选用的材料为树脂加强复合材料。按照表1，在ABAQUS的Property模块中定义ZG1Cr13和树脂基复合材料两种材料，并将其分别赋予给制动盘和摩擦片。645第五届中国CAE工程分析技术年会论文集表1制动器的热物性参数(20°C)特性参数制动盘摩擦片-1-1热导率λ/(W.m.K)48.460.9-3密度ρ/(kg.m)72281550-1-1比热容c/(J.kg.K)4191200-1-6-5热膨胀系数α/K11x10