基于ANSYS制动器温度场的有限元分析

2018-06-22张群威

现代制造技术与装备 2018年5期

关键词：摩擦片分析模型湿式

张群威冯凯

（漯河职业技术学院，漯河 462000）

1 创建分析模型

1.1 优化模型

湿式制动器真实模型的建立会有一定的误差，如果误差太大，就会使有限元分析的计算结果失去意义。因此，必须要对有限元分析模型进行优化设计。另外，有限元网格类型的选择也会影响整个仿真分析结果的准确性。

1.1 划分网格

有限元网格划分的结果是否合理，是判断有限元分析模型建立是否正确可靠的主要依据。有限元网格划分是建立有限元分析模型的一个关键步骤，需要考虑的因素比较多，模型中每个部件的几何结构、受力状态以及接触关系等都会影响分析结果的精度，同时还要注意选择的单元网格类型和大小会影响计算规模，网格划分如果不合理就会导致计算无法进行。

选择Main Menu命令，弹出实体选择对话框，用鼠标选择矩形4条边线，在“Element edge length”文本框中输入“25”，单击“OK”按钮得到网格分析模型。

1.2 添加温度边界条件

在软件中，把摩擦片外的表面、方向位移的自由度进行约束，只允许摩擦盘沿着轴向来回自由移动，并且约束钢盘使其只能沿轴旋转，施加均匀分布的制动压力。整个摩擦制动系统初始温度设置为20℃。

在菜单栏选择Main Menu命令，在弹出的实体选择对话框中，选中模型左边线，接着在出现的对话框中设置“Load PRES value”为“20”，单击“OK”。

2 定义约束参数

建立湿式多片制动器三维模型，通过简化得到了对应的有限元分析模型。同时，运用网格划分模块对所建立模型进行网格划分，通过仿真分析得到制动过程中摩擦副温度场的变化情况，掌握摩擦盘和钢盘不同时段热流传递趋势，并对其进行总结。对温度场分布不均的衍生问题进行研究，研究了摩擦副尺寸和材料对热点问题的影响。建立了相关数学模型，对其进行数字仿真和模拟仿真，对此两种仿真结果进行对比。

2.1 定义单元类型及常数

在ANSYS程序主界面中选择Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，弹出“Real Constants”对话框。单击“Add”按钮，进行下一个“Choose Element Type”对话框，选择“Plane82”单元，单击确定，在THK文本框中输入“20”，定义厚度为20mm。

2.2 定义材料参数

湿式制动器摩擦盘的材料为无石棉的纸基摩擦材料，密度为1450kg/m3，湿式制动器泊松比为0.3；钢片的材料是45#钢，密度为7850kg/m3，泊松比为0.269。

表1 制动片特性参数

3 求解及优化

选择Main Menu→Solution→Solve→Current LS命令，弹出的窗口包括所要计算模型的求解信息和载荷步信息。单击上图“OK”按钮，软件开始进行分析计算。

在不同制动时刻，湿式制动器摩擦片表面整体温度场分布情况不同。为了使润滑油流动，摩擦盘表面对称分布径向油槽，这些油槽把摩擦盘分成了形状相同的几个部分。由于所受压力均布在摩擦盘表面，各区域的温度场总体分布状况相似。同一时刻，外径处的温度明显高于内径，这是由于相同角速度下，滑动半径越大，摩擦盘的相对滑动速度越大，导致摩擦产生热量就越大。摩擦盘油槽区域的温度明显低于与发生接触的区域，这是由于油槽未与钢盘接触，没有摩擦热产生，只靠热传递使温度上升。

在整个制动过程中，摩擦盘同一位置的温度随着制动时间的延长而升高，在结束时出现最高温度。在持续制动的前半段时间内，温度升高相对较快，在后半段温升速度降低。在制动停止时，摩擦盘便停止相对滑动，不再产生热量，因而温度不再升高，并且由于对流散热温度还有所下降。

结合摩擦盘沿半径切面的温度分布状况进行分析，摩擦片的热源在摩擦片与钢片的接触表面，摩擦盘热量的流动方向是从摩擦盘表面到摩擦盘内部。由于热量的传递速度要小于生热速度，摩擦盘表面的温度比内部温度要高。因此，热流主要由摩擦表面流向摩擦盘内部，随着热流不断流入，内部温升速度加快。摩擦盘外径处温升速度也要大于内径处，在内部径向方向也产生温度梯度。摩擦片内径边缘区域的温度在整个摩擦制动过程中变化不明显。