摩擦片热压成型在《有限元法》课程教学中的应用

朱春东 付晨 郭飞 王华君

武汉理工大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430070

摩擦片热压成型在《有限元法》课程教学中的应用

朱春东 付晨 郭飞 王华君

武汉理工大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430070

有限元法是工科院校材料成形专业面向本科生开设的基础课程之一。本文运用有限元分析软件分析了摩擦片热压成型的热传导，不仅可以让学生掌握热传导的分析方法，还可以使学生学到利用有限元法优化工艺，达到节能降耗的目的。有效的诠释了有限元法在热传导方面的应用。从而在有限的时间内实现该课程教学目标。

摩擦片；热传导；课程教学

引言

自1943年Courant第一次提出单元概念，有限元法(Finite Element Method，FEM)作为求解数学物理问题的一种数值方法已经经过了60余年的发展和完善。1960年, Clough首先把解决弹性力学平面问题的方法称为有限元法[1]。有限元法（Finite Element Method）是一种高效能、常用的计算方法。1970年后，我国开始将有限元法用于工程问题，至今有限单元法[2]是工程数值分析领域的最广泛、重要、成熟的数值方法,伴随计算机科学的飞速发展，越来越发挥它的强大功能，具有对复杂几何构形的适应性、各种物理问题的可应用性、建立严格理论基础上的可靠性及适合计算机实现的高效性[3]。

摩擦片是汽车制动刹车系统的核心零件，它的质量直接关系到汽车制动性能的好坏和汽车制动性能的安全性、舒适性等。现阶段应用最广泛的摩擦片成型工艺是热压成型工艺[4]，摩擦片零件图如图1，热压模具结构图如图2。在成型的过程中，将填料加入凹模与凸模之间的凹槽，然后将凸模压入凹模，开始成型，压制同时通上下和两侧的加热板对模具进行加热。

图2 热压模具结构图

1 数值模拟实践教学

1.1 理论分析

有限元设计的过程就是用有限元程序把有限元理论和方法用计算机实施过程的纽带。该模拟的基本原理是把所处理的对象首先划分成有限个单元（每个单元包含若干个节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一个节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度值，继而进一步求解出其他相关量[5]。

1.2 摩擦片热压成型模拟过程分析

利用pro/E三维制图软件建立摩擦片热压成型模型并存以x_t格式导入ANSYS有限元软件。如图3所示。主要分成以下六个步骤：建立工作文件名和工作标题；定义单元类型；定义材料性能参数；导入几何模型；划分网格；加载求解；查看求解结果。网格划分结果如图4。加载载荷结果如图5。

图3 导入ANSYS剖面图

图4 装配图网 格划分结果

图5装配图加载载荷结果

2 摩擦片热压成型模拟结果分析

2.1 理论分析

用有限元软件进行工程分析计算时,很重要的一点是分析过程中必须审视分析的结果,对结果有正确的认识,从而指导工程分析的正确进行。该模拟主要是对摩擦片热压成型过程中的热传导进行模拟，从而得到热压成型过程中的温度场分布。

2.2 摩擦片热压成型温度场分析

在热压成型过程中，首先将填料加入凹模与凸模之间的凹槽，使填料均匀平整后将刚背平置于填料上，然后将凸模压入凹模，开始成型，压制同时通上下和两侧的加热板对模具进行加热。所以整个过程对于热压模具来说是稳态传热，而对于摩擦片来说从填料到成形是瞬态传热。

2.2.1 热压模具稳态热分析 图6即为热压模具稳态热分析温度场分布等值线图，从图中可以看出与加热板直接接触的模具的表面温度与加热板温度相同，只有向着与空气接触的面的方向才有温度变化，即与空气接触的表面会有热量损失。并且通过模拟可以观察到与摩擦片接触的模具表面温度均达到了加热板温度，从而得到了摩擦片在做瞬态热分析时的设置温度，即为加热板温度。

2.2.2 摩擦片瞬态热分析 由热压模具的稳态热分析得到了摩擦片的瞬态传热的加热温度即为加热板温度。图7即为摩擦片瞬态热分析温度场分布等值线图，图中可以看出摩擦片在压制以及保压时间内有温度变化，其温度由外向内逐渐降低,温度均匀，仅相差0.2℃。

图6 热压模具稳态热分析温度场分布等值线图

图7 摩擦片瞬态热分析温度场分布等值线图

3 结语

通过该模拟，不仅掌握了运用有限元法对摩擦片热压成型过程中热传导过程的模拟的方法，并且归纳出摩擦片以及热压模具在热压过程中的温度分布规律，从而便于在该基础上优化成型工艺并且达到节能的目的。所以有限元法不仅可以分析热传导过程，还可以起到优化和改善的作用。因此作为材料成形的学子，掌握有限元法是很有必要的。

[1]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理与数值方法[M] .北京: 清华大学出版社, 1988

[2]王勖成.有限单元法[M].北京: 清华大学出版社,2003

[3]闵杰，李路，刘华勇.土建类数值分析课程教学内容优化探讨[J].高等建筑教育，2010（5)

[4]刘晓.新型复合摩擦材料的低温成型工艺研究[D].山东理工大学，2009

[5]李霞，宋海堂.ANSYS在机械设计中的应用[J].计算机技术应用，2007，(11)

The Application of Friction Lining Heat Pressing Forming in Teaching of the Finite Element Method Course

Zhu Chundong Fu Chen, Guo Fei Wang Huajun
School of Material Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.05.099

广东省重大科技专项（项目编号：2011A080802015）专项资金。

朱春东（1963-），男，湖北广水人，副教授，硕士，硕士生导师，主要研究方向为材料成型过程控制和模拟。