楊仁華，王仁磊

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川成都610039）

基于ANSYS的制動(dòng)鼓熱應(yīng)力耦合仿真分析

楊仁華，王仁磊

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川成都610039）

運(yùn)用ANSYS技術(shù)對(duì)汽車制動(dòng)器制動(dòng)鼓進(jìn)行了持續(xù)制動(dòng)溫度分布仿真分析，分別對(duì)制動(dòng)鼓在結(jié)構(gòu)載荷作用下、熱載荷作用下及熱載荷與結(jié)構(gòu)載荷作用下進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，在相同條件下，雙載同時(shí)作用下制動(dòng)鼓產(chǎn)生的最大應(yīng)力比單獨(dú)載荷作用下要大得多，為制動(dòng)鼓設(shè)計(jì)提供了一種工程方法。

制動(dòng)鼓；有限元；仿真；建模

制動(dòng)鼓作為汽車鼓式制動(dòng)器的關(guān)鍵零件，在高速緊急制動(dòng)情況下制動(dòng)鼓的性能性能直接影響著制動(dòng)器的工作性能，在制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄片摩擦的地方短時(shí)間內(nèi)吸收整車動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能使整個(gè)制動(dòng)鼓溫度升高，若是連續(xù)制動(dòng)會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)熱衰退現(xiàn)象，導(dǎo)致制動(dòng)鼓強(qiáng)度在熱應(yīng)力作用下大大降低。本文通過(guò)ANSYS軟件對(duì)下長(zhǎng)坡持續(xù)制動(dòng)工況下的熱應(yīng)力耦合分析，以分析制動(dòng)鼓在在結(jié)構(gòu)載荷與熱作用下制動(dòng)鼓的強(qiáng)度。

1　分析模型的建立

（1）將制動(dòng)鼓在CATIA中所建的三維模型，轉(zhuǎn)存為.IGS格式，導(dǎo)入solidworks中進(jìn)行模型的修整，并使用分割線分割出制動(dòng)鼓內(nèi)表面蹄片作用區(qū)域，再轉(zhuǎn)存為.x_t文件，以便導(dǎo)入ANSYS workbench中分析。

（2）定義制動(dòng)鼓材料為灰鑄鐵，并劃分網(wǎng)格如圖1所示。

圖1　制動(dòng)鼓網(wǎng)格劃分圖

2　制動(dòng)鼓熱應(yīng)力耦合仿真分析

2.1制動(dòng)鼓受熱溫度升高計(jì)算

假設(shè)整車在最大速度為50 km/h時(shí)制動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到20 km/h時(shí)放開(kāi)繼續(xù)下坡，當(dāng)速度上升到50 km/ h時(shí)再次制動(dòng)將速度降到20 km/h，這樣連續(xù)制動(dòng)20次，計(jì)算出消耗的總熱量，進(jìn)而計(jì)算出制動(dòng)鼓平均溫度的升高。由于在下坡過(guò)程中，輪胎與地面摩擦以及傳動(dòng)系工作過(guò)程中會(huì)損失能量，同時(shí)制動(dòng)鼓受熱也會(huì)散失熱量，要想精確計(jì)算能量的消耗是相當(dāng)困難的，所以假設(shè)所有能量損失為10%.

整車制動(dòng)20次從50 km/h制動(dòng)減速到20 km/h時(shí)，損失的動(dòng)能為

式中：m為整車質(zhì)量；v1為制動(dòng)初速度；v2為制動(dòng)末速度。

損失后剩下的熱量=1 053 240×0.9=947 916 J

單個(gè)后輪制動(dòng)鼓獲得的熱量：

平均溫度計(jì)算：

式中：Q為單個(gè)鼓制動(dòng)獲得的熱量；C為制動(dòng)鼓材料比熱C=482 J/（kg.K）；M為制動(dòng)鼓質(zhì)量M=4 kg；△T為制動(dòng)鼓升高溫度。

制動(dòng)鼓在摩擦熱的作用下溫度升高并不均勻，內(nèi)表面是產(chǎn)生熱的地方，相對(duì)其他地方溫度要高得多，制動(dòng)鼓內(nèi)表面與摩擦片接觸處的溫度最高，故考慮一溫度系數(shù)，最高溫度上升到100℃，根據(jù)這一溫度來(lái)進(jìn)行熱應(yīng)力耦合的仿真。

2.2制動(dòng)鼓溫度分布分析

對(duì)制動(dòng)鼓進(jìn)行受熱分析，在制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄摩擦出施加最高溫度100℃，通過(guò)計(jì)算得到外表面換熱系數(shù)為363.6 W/m2·K.加載方式如圖2所示。

圖2　制動(dòng)鼓熱載荷施加圖

通過(guò)ANSYS運(yùn)算得到溫度分布云圖如圖3所示?？芍瑴囟确植甲罡咛帪橹苿?dòng)鼓摩擦生熱處，最低溫度在制動(dòng)鼓中心處為42.8℃.制動(dòng)鼓摩擦生熱處直接與外表面接觸，熱傳遞向外較快，制動(dòng)鼓中心則傳遞較慢［1-2］。

圖3　制動(dòng)鼓溫度分布云圖

2.3熱應(yīng)力仿真分析

進(jìn)行制動(dòng)鼓在無(wú)機(jī)械載荷狀態(tài)下的應(yīng)力耦合。直接將已生成的熱分析文件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊分析求解，得到結(jié)果如圖4所示。通過(guò)云圖可知在安裝車輪螺栓處出現(xiàn)最大應(yīng)力47.4 MPa，總變形量極小。

圖4　熱應(yīng)力與變形云圖

2.4熱應(yīng)力耦合仿真分析

將已生成的熱分析文件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊分析，在制動(dòng)鼓與與車輪連接的地方施加螺栓圓柱約束，制動(dòng)鼓中心安裝軸承地方施加切向自由的軸承約束，制動(dòng)鼓內(nèi)表面摩擦生熱處領(lǐng)蹄作用區(qū)域施加最大壓力1.14 MPa，從蹄作用區(qū)域施加0.46 MPa最大應(yīng)力，并在制動(dòng)鼓內(nèi)表面施加201 N·m的扭矩（注意扭矩施加方向，要保證使領(lǐng)蹄產(chǎn)生增勢(shì)作用）。加載情況如圖5所示。制動(dòng)蹄熱-應(yīng)力耦合分析應(yīng)力云圖如圖6所示［3］、制動(dòng)蹄熱-應(yīng)力耦合分析總變形云圖如圖7所示。

圖5　制動(dòng)鼓加載圖

圖6　制動(dòng)蹄熱-應(yīng)力耦合分析應(yīng)力云圖

圖7　制動(dòng)蹄熱應(yīng)力耦合總變形云圖

通過(guò)結(jié)果可以看出在領(lǐng)蹄一側(cè)與螺栓連接處出現(xiàn)了最大應(yīng)力285 MPa，同時(shí)在制動(dòng)鼓領(lǐng)蹄受壓處出現(xiàn)了最大變形0.26 mm，該側(cè)承受較大壓力，仿真結(jié)果符合事實(shí)，相對(duì)準(zhǔn)確。

3　制動(dòng)鼓結(jié)構(gòu)載荷仿真分析

為了闡明熱-應(yīng)力耦合分析的重要性，還進(jìn)行了制動(dòng)鼓在不受熱狀態(tài)下的靜力結(jié)構(gòu)分析。為了保證其它因素影響結(jié)果的對(duì)比，網(wǎng)格劃分與機(jī)械載荷加載一致，在這里就不一一贅述。分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　制動(dòng)鼓靜力結(jié)構(gòu)分析等效應(yīng)力云圖

圖9　制動(dòng)鼓靜力結(jié)構(gòu)分析總變形云圖

由圖可知，最大應(yīng)力140 MPa，仍然出現(xiàn)在領(lǐng)蹄一側(cè)與車輪螺栓連接的地方，最大變形量0.11 mm，也出現(xiàn)在領(lǐng)蹄一側(cè)受壓處。

4　制動(dòng)鼓仿真分析結(jié)果對(duì)比

分析結(jié)果對(duì)比如表1所示。仿真熱應(yīng)力耦合得到最大等效應(yīng)力為285.5 MPa小于鑄鐵材料許用應(yīng)力300 MPa，制動(dòng)鼓設(shè)計(jì)完全滿足使用。通過(guò)表格對(duì)比，制動(dòng)鼓在單一的結(jié)構(gòu)載荷或受熱載荷情況下等效應(yīng)力都較小，但是實(shí)際工況是熱、結(jié)構(gòu)載荷并存，所以必須進(jìn)行熱應(yīng)力耦合仿真。

表1　分析結(jié)果對(duì)比

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)制動(dòng)鼓在持續(xù)制動(dòng)工況下進(jìn)行了溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，得到了有關(guān)的溫度場(chǎng)云圖，并對(duì)制動(dòng)鼓進(jìn)行了熱應(yīng)力分析與對(duì)比，對(duì)制動(dòng)鼓的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化依據(jù)，本文為汽車制動(dòng)鼓設(shè)計(jì)提供了一種工程分析方法，也為制動(dòng)鼓改進(jìn)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

［1］趙文杰，吳濤，徐延海，等.基于ANSYS的汽車制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)仿真分析［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，31（2）：31-34.

［2］何海浪，郭瀟然，田順.基于ANSYS的FSAE賽車制動(dòng)盤(pán)瞬態(tài)熱分析［J］.公路與汽運(yùn)，2013，（5）：28-30.

［3］吳婧斯，萬(wàn)里翔，張新.緊急制動(dòng)工況下汽車盤(pán)式制動(dòng)器溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)仿真分析［J］.北京汽車，2010，（6）：30-33.

Thermal Stress Coupling Simulation Analysis of Brake Drum based on ANSYS

YANG Ren-hua，WANG Ren-lei
（School of Automobile and Traffic，Xihua University，Chengdu Sichuan 610039，China）

In this paper，using the ANSYS technology of automobile brake drum of the continuous brake temperature distribution simulation analysis，respectively of brake drum under the structure load，thermal load and thermal load and the structure loads of simulation analysis and the results were compared，under the same condition，the double load under the simultaneous action of the brake drum of the maximum stress ratio under the action of loads separately to much larger and provides an engineering method of the brake drum design.

brake drum；finite element；simulation；modeling

U463.5

A

1672-545X（2016）08-0017-03

2016-05-03

楊仁華（1962-），男，四川蓬溪人，碩士，副教授，從事汽車計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與汽車計(jì)算機(jī)輔助工程研究。