基于ANSYS高能容多盘干式制动器的多物理场耦合仿真及实验分析

发布时间：2016-08-20 06:18

制动器制动时温度分布是一个多学科问题。工程车通过制动器进行制动，把机车的动能通过摩擦盘之间的摩擦作用转化为热能，相当于一个能量转化器。制动器制动过程实际上是一个热-固-流多物理场相互作用的过程。所以，研究制动器制动的热-固-流多物理场的相互作用不但可以拓展仿真研究，也有很高的应用价值。目前，对制动器制动过程中的多物理场的研究的方法还很不成熟，由于软件的限制，以前的大多数研究人员都停留在单个或者两个物理场的仿真分析阶段，或是只对摩擦盘进行研究，而忽略了整体性；另由于制动器实物实验的复杂性和庞大性，在阅读文献的过程中并未发现多盘干式制动器实际测量案例，这就造成仿真数据的可信度下降，没有与实际实验结果对比，误差有多大，更无从得知。随着有限元分析软件、流体动力计算技术以及计算机性能发展，提出了使用流固耦合传热技术对制动器多物理场相互作用进行仿真研究，更加切于实际更便于仿真计算。本课题针对整个多盘干式制动器，开展其制动过程中多物理场耦合仿真的研究，获得耦合分析后的温度场分布、固体场。然后结合实物实验，经过仿真数据和实物数据的对比研究，验证了有限元仿真模型的有效性，为制动器的设计和优化节省了成本，缩短了研发周期。

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2 多盘干式制动器多物理场计算理论研究

2.1 盘式制动器摩擦生热理论

宏观上，多盘干式制动器制动时是摩擦元件之间相互摩擦接触进而磨损耗能的过程，制动器本身通过对偶盘和摩擦盘之间的摩擦副把工程车行进过程中的动能转化为热能，热量的传导和扩散必然导致制动器相关部件温度升高。微观上，由于摩擦材料和对偶材料表面接触的不均匀性，实际接触面积远小于名义接触面积且不连续，而热源就在实际接触位置处产生[33-35]。

2.2 湍流模型流体动力学研究

19 世纪 80 年代，英国物理学家雷诺通过实验现象证明了粘性流体在流动过程中存在两种特性截然不同的流动状态：层流和湍流。当流体速度较小时，流体质点在各自流程所在层上作直线运动，即为层流。湍流是自然界非常普遍的流体流动类型，其经常出现在速度变动的地方，此时流动不再是平滑的，而是做复杂无规则的非定常运动，液体质点具有不断相互掺混的现象，，速度和压力等相关物理量在时间和空间上具有随机性质的脉动值。因此湍流研究只能借助于一些半经验的实验和理论。分析制动器运动过程及制动原理，流体在摩擦盘的旋转的情况下，流体做复杂的无规则的非定常运动，空气质点不断相互掺混，显然制动器流体流动应采用湍流计算模型。本节对制动器流体控制方程进行了详细阐述。

3 多盘干式制动器多物理场耦合模型建模技术..................... 15

3.1 多盘干式制动器结构、运动原理和生热分析.......... 15
3.2 多盘干式制动器耦合系统建模技术............ 16 
3.3 本章小结.................... 18
4 多盘干式制动器多物理场耦合分析............ 19
4.1 多盘干式制动器耦合系统有限元网格划分................ 19
4.2 制动器各部件材料的种类及物性........ 20
4.3 耦合系统计算域边界条件的确定.......... 20 
4.4 多盘干式制动器热-固-流耦合仿真分析 ........... 24 
5 多盘干式制动器测温实验研究................... 33
5.1 确定多盘干式制动器测温方案.................. 33 
5.2 盘式制动器测温实验系统............... 38
5.3 测温实验工况参数.................... 39
5.4 实验结果与讨论..................... 39
5.5 本章小结............................. 41

6 制动器仿真温度数据与实验温度数据研究分析

6.1 相关系数法原理

仿真模型的确认是国际上仿真领域公认的难题，目前常用的方法有 Theil 不一致系数法、平稳序列的时域分析法、误差分析法和相关系数法等。鉴于本课题数据量较少，属于小样本容量研究领域，经综合考虑，采用相关系数法和误差分析法进行仿真数据和实验数据的一致性研究。研究流程如图 6.1 所示。

6.2 仿真数据与实验数据的前处理

任选取一种工况（工况 3）为示例，进行温度场的数据一致性研究。（1）仿真数据修正因为仿真处于完全理想状态下，每次仿真初始温度都是一致的，而由于外界环境时刻变化以及上一组实验的余温等情况，实际实验初始温度是不固定的，因此要对仿真数据结果进行修正。根据热量计算公式 6.3 可知，热量和温度的变化值成正比关系。因此采用仿真数据加上仿真数据与实验数据温度差（见表 6.1）的方式对仿真数据进行修正。结果见表 6.2 所示。

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7 结论

本课题针对某型号工程车辆制动器温度场进行了研究，首先采用了有限元分析的方法进行仿真分析，从零件模型制作，到装配成型，再到有限元分析软件中进行温度场分析，实现了制动器的 CAE 研究，通过整机的温度场仿真分析，得到了整个制动器的温度场分布规律和标记点的瞬时温度变化曲线；然后在温度场仿真分析基础上，进行了制动器实物测温实验，得出了标记点的温度分布数据；最后，在边界修正和均值取值的基础上，进行了误差分析和相关系数研究，误差在 10%以内，超 80%的数据相关性良好，从而验证了耦合模型的可靠性，可以用来预测该型号制动器其他工况的温度场分布。具体各项工作内容的结论如下：（1）测绘制动器各个零部件，在 Pro/E 中建立模型；在分析制动器结构和运动原理的基础上，完成了制动器的装配工作，最终获得了该型号制动器三维建模的关键技术；（2）在有限元分析软件中，以真实的工作状态参数进行温度场仿真分析。通过三种工况研究，整个制动器的温度场的分布情况和标记点的瞬时温度变化曲线。最高温度处于摩擦位置，最低温度处于离摩擦位置比较远的旋转盘和弹簧上盖位置，隔热板确实起到了隔热作用，这与实际情况是一致的。

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参考文献（略）

本文编号：98643