车辆现代设计方法课程ppt

1、汽车盘式制动器热一结构耦合仿真分析车辆-黄鹏飞课题的研究背景和意义 制动系统是汽车的一个重要组成部分，它直接影响汽车的安全性。随着高速公路的迅猛发展和汽车保有量的日益增多，交通事故也不断增多，据有关统计资料调查显示,在由于车辆本身的问题而造成的交通事故中,由制动系统引起的事故为交通事故总数的45%、在发生人员伤亡的事故中，与侧滑、跑偏有关的在潮湿路面上占30%、冰雪路面上占70%一80%。而在以上由侧滑、跑偏引起的事故中，其中由于制动系统原因造成的占50%。而由热疲劳破坏引发的制动器失效造成的交通事故则占了相当一部分比例。 盘式制动器制动过程是一个典型的热一结构祸合过程,会对制动器的振动、噪声

2、、热疲劳产生重要影响，是汽车制动器设计的重要开发内容。盘式制动器的热一结构藕合特性目前受到广泛关注。课题的研究背景和意义烧红的跑车制动盘课题的研究背景和意义 盘式制动器的热一结构藕合现象 制动过程中，摩擦副(制动盘与摩擦片)在相互摩擦时所产生的阻力，将汽车行驶时的动能转化为摩擦的热能，从而达到使汽车减速或停止的目的,所以盘式制动器实质上是一个能量转换器。由于摩擦片一般由非金属材料制成，导热性能相对较差，使得摩擦产生的热量绝大部分被制动盘吸收，制动盘承受的热载荷大大增加。所以制动过程除了有热量的产生，还一定伴随着制动盘温度的升高，并以热传导的方式在制动盘和摩擦片中扩散，同时通过对流传热等方式与周

3、围空气发生热量传递。课题的研究背景和意义由于吸收大量摩擦热而使温度升高的制动盘，其高速旋转所产生的移动热源将引起不均匀的温度场，直接导致制动盘的热变形以及盘片摩擦界面接触压力的变化，而这一变化继续发展下去则会引起局部温度的升高并加剧表面温度梯度的变化，从而又引起接触压力分布状态继续改变。所以制动过程中的每时每秒都是各个物理场变化的共同作用，是一个复杂的多物理场热一结构耦合过程。制动盘热制动盘热- -结构耦合示意结构耦合示意接触应力分布状态接触应力分布状态表面温度梯度变化表面温度梯度变化研究方法 据有关资料显示,国内外对制动器热一结构祸合问题的研究方法主要有理论研究和试验研究 理论研究： 理论研

4、究分为解析法和有限元法。最初在对热一结构耦合现象进行理论分析时，采用的是解析法。运用热弹性理论分别建立并求解其温度场热传导方程和热应力方程Thom Svalvan和Kwan自inLee将前期计算得到的温度场结果作为应力场的初始条件，用解析法对制动盘的热变形进行分析，虽然这种方法实施起来比较简单可靠，但属于间接耦合法，只考虑了温度场对应力场的影响而没有考虑应力场对温度场的影响,与制动盘实际工作情况有一定差距,因此所得到的结果有一定程度上的误差。研究方法 随着有限元技术的发展,，目前研究盘式制动器热结构耦合问题的主要途径则是利用计算机对摩擦副对偶件的温度场和应力场进行数值仿真。 制动盘在非均匀温度

5、场作用下会引起热变形，由温度场引起的热变形差异直接影响接触状态和接触压力，接触状态和接触压力的改变反过来又会影响热流输入密度，这种相互影响说明制动过程是一个复杂的热机完全耦合过热热机完全耦合分析框架图机完全耦合分析框架图 程，对于这种温度与位移存在强耦合作用的问题，只有采用热机完全耦合的直接法进行求解，同时处理热传导和力平衡两类不同场方程，才能获得比较精确的分析结果。实验方法 台架试验中对温度进行测量通常采用两种方法 （1）盘面预置热电偶法：在制动盘的摩擦表面上布置热电偶测温探头，由于这种测温方法不受空间限制、简单易行。其优点是测试位置明确，不会干扰温度场，但其适用范围比较窄，只能用于测量制动

6、盘摩擦表面的平均温度。 （2）预埋热电偶法：测量体积温度可以在旋转物体内部，但由于测温点的布置非常繁锁，由于制动器摩擦表面温度梯度较大而很难确定相邻测温点之间的距离，因此这种方法具有一定局限性。实验方法 热变形测量 对制动盘的热变形测量，则主要是通过测量制动盘的轴向位移来实现，需要用到非接触式的高精度位移传感器。而传感器中主要采用电涡流位移传感器，高线性度高分辩率地测量探头与被被测表面间的距离。这种测量方法对仪器精度要求非常高。理论基础 摩擦生热理论 接触理论 热传导理论 瞬态热-结构直接耦合求解方法盘式制动器热一结构藕合有限元模型的建立一、制动系统物理模型的建立 考虑到盘式制动器结构以及热载

7、荷的对称性,建立其二分之一模型 。另外对制动盘上的类似于退刀槽、小凸台一类的结构进行简化，有利于划分网格。简化后的模型如右：简化后的制动器三维模型盘式制动器热一结构藕合有限元模型的建立二、制动系统有限元模型的建立基本假设： 本文采用有限元法分析某国产轿车前盘式制动器在制动过程中温度场和应力场的变化规律，现对该盘式制动器的计算模型做如下假设：（1）制动盘和摩擦片的材料组成是均匀的，且为各向同性的；（2）材料的物理性能参数(密度、热传导系数、比热、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等)均为常数，不会随着温度变化而变化。盘式制动器热一结构藕合有限元模型的建立(3)制动过程中，制动系统的初始温度与环境温度相

8、同，为25oC并且盘、片接触界面内对应点的瞬时温度相等；(4)制动盘与摩擦片接触界面为理想平面，摩擦符合库仑定律，且在制动过程中摩擦系数保持不变；(5)作用在摩擦片钢背上的压力均匀分布，且保持不变；(6)忽略材料磨损的影响，认为动能全部转化为摩擦热而被制动盘和摩擦片吸收并以热流方式按一定比例分配到制动盘和摩擦片；(7)不考虑制动过程中可能出现的车辆抱死情况，车轮处于纯滚动运动状态；(8)由于热辐射对制动盘温度场影响非常小，因此仅考虑热传导和热对流，而忽略热辐射的作用；盘式制动器热一结构藕合有限元模型的建立 材料的物理特性 热流输入模型 应力的产生机理和计算 网格划分 有关计算数据和边界条件的确

9、定制动系统的有限元模型盘式制动器热一结构藕合仿真分析一、紧急制动工况下制动盘的温度场分布 制动盘温度场变化及分布的模拟是研究制动器热一结构耦合问题的重要内容，通过有限元方法分析计算能够得到有限元模型各个节点的瞬时温度!温升特性及分布规律。不同时刻制动盘温度场分布云图盘式制动器热一结构藕合仿真分析不同时刻制动盘温度场分布云图盘式制动器热一结构藕合仿真分析不同时刻制动盘温度场分布云图 上述图为不同时刻的制动盘温度场分布云图，是对整个盘式制动器热一结构耦合制动过程进行瞬态模拟,制动时间为3.85s，由图可以看出，在不同时刻制动盘的温度场分布并非成轴对称分布，即在制动盘同一半径周向上不同节点间存在一定

10、温差。盘式制动器热一结构藕合仿真分析 同时可以看出制动盘的最高温度在整个制动过程中经历了先升温后降温的过程，并且在轴向和径向上的温度梯度比较大，周向上的温度梯度相对说来较小。另外制动盘摩擦表面温度远高于材料内部温度,这是由于制动器工作时制动盘与摩擦片产生摩擦热的速度远远大于材料内部进行热传导的速度，并且表面上摩擦区域的温度又要高于非摩擦区域的温度。由于制动盘内径处离摩擦区域较远，产生的摩擦热难以在短时间内传递到其附近，因此制动盘内径处升温很小。盘式制动器热一结构藕合仿真分析一、紧急制动工况下制动盘的应力场分布 通过前一节对制动盘温度场的分析得出，由于制动盘摩擦表面处于移动热源的间歇性摩擦接触中

11、，导致径向、轴向、周向都存在相当大的温度梯度，这必然会引起热应力的产生，因此有必要进一步研究制动盘的应力场分布及其变化规律不考虑摩擦热是制动盘的应力场分布云图盘式制动器热一结构藕合仿真分析 对整个制动过程进行热-结构耦合瞬态模拟，得到不同制动时刻的制动盘等效应力场分布不同时刻制动盘应力场分布云图盘式制动器热一结构藕合仿真分析不同时刻制动盘应力场分布云图盘式制动器热一结构藕合仿真分析不同时刻制动盘应力场分布云图由考虑摩擦热仿真图可以看出，制动盘的等效应力在整个制动过程中经历了先增大后减小的过程，这点与其温度变化趋势相一致。盘式制动器热一结构藕合仿真分析 其中，高应力区大多分布在摩擦环，这主要是由于输入的摩擦热在摩擦环的轴向及径向引起的温度梯度而造成的