制动带-摩擦片摩擦接触的数值仿真

1、制动带-摩擦片摩擦接触的数值仿真周 勇，向 阳，胡甫才（武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063）摘 要：以某超级油轮的锚机带式制动器为研究对象，建立了制动带、沉头螺钉和摩擦片的三维实体模型，并应用大型非线性有限元分析软件MSC. Marc对制动带和摩擦片之间的摩擦接触进行仿真分析，得出其应力分布云图及摩擦制动时制动带与摩擦片的表面温度分析规律，从而为带式制动器的设计提供可靠的依据.关键词：船舶辅助机械；带式制动器；有限元分析；摩擦接触；应力场；温度场中图分类号：U664.5 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2008) 03-0033-04Numerical sim

2、ulation on the frictional contact problems of brake band-friction flakeZHOU Yong, XIANG Yang, HU Fu-cai(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)Abstract: Regard the band brake of VLCC as the research object. The 3D-model of the brake band, counters

3、unk head bolt and Friction Flake is established, and the frictional contact problem of brake band and friction flake was analyzed with the large-scale nonlinear finite element analysis software MSC.Marc. The stress distribution of the band brake and the distributing rules of surface temperature of b

4、rake band and friction flake are acquired. All these will provide reliable warrants for the design of band brake.Key words: marine auxiliary machinery; band brake; FEA; frictional contact; stress field; temperature field0 引言锚机是船舶配套机械的重要组成部分，随着船舶吨位的增加，这些设备也朝大型化方向发展，承受的载荷也越来越大，对其可靠性的要求也越来越高.而锚机带式制动器的制

5、动带与摩擦片的摩擦表面接触温度及温度梯度集中反映了载荷、速度、摩擦系数、材料的热物理特性及耐久性、摩擦部件的设计尺寸和工作环境等因素的影响.因此，有必要深入研究制动过程中带式制动器的应力场、温度场分布状况及特点，完善其设计方法，提高产品的竞争力.国内对带式制动器的研究大都停留在理论分析1和设计2方面，对其摩擦接触的数值仿真的报道还很少.本文以某超级油轮的锚机带式制动器为研究对象，其结构采用内敷摩擦片的制动带，其中制动带与摩擦片通过沉头螺钉连接在一起（见图1）.，这对于带式制动器的优化设计具有指导意义.固定端自由端XYZ图1 制动上带-上带摩擦片几何模型收稿日期：2007-04-02；修回日期：

6、2007-09-18项目性质：受“F117链径锚机分析与测试”项目资助作者简介：周勇（1982-），男，硕士研究生，主要研究方向为结构有限元分析.1 制动带-摩擦片摩擦接触的机械应力分析 制动带-摩擦片三维实体建模应用CAD软件SolidWorks创建制动带及摩擦片的三维实体模型.考虑到接触分析及节约计算资源，本文分析对象仅由制动上带及上带上带摩擦片组成，如图1所示. 制动带-摩擦片有限元模型 材料物性参数对制动带定义各向同性的焊接结构用钢SM 490YB，弹性模量E=206GPa，泊松比m=0.3，密度 r= 7800kg/m3；对摩擦片定义各向同性的无石棉有机摩擦衬片，弹性模量E=120G

7、Pa，泊松比m=0.3，密度r= 1450kg/m3；对沉头螺钉定义各向同性的黄铜H62，弹性模量E=05GPa，泊松比m=0.346，密度r= 8430 kg/m3. 载荷及边界条件上带摩擦片受到的外力为锚链轮施加在其内表面的压力及摩擦力，制动上带受到的外力为制动下带作用在销钉孔的拉力.依据带式制动器实际情况，对制动上带固定端（通过螺栓与船舶甲板连接）施加固定约束和轴向约束,但周向自由；对上带摩擦片内表面施加径向约束和轴向约束，但周向自由1. 沉头螺钉的模拟为了较真实模拟上带摩擦片与制动上带连接用的沉头螺钉，采用2个多点约束单元（RBE2）及一个梁单元来模拟单个沉头螺钉3.且其预紧力的实现采

8、用梁单元的热胀冷缩原理，故需求出沉头螺钉在预紧力作用下的变形量，进而求得施加在梁单元上的温度载荷.经计算，施加在梁单元上的温度载荷为-20.4. 制动带-沉头螺钉-摩擦片有限元模型.划分网格及施加载荷与约束后的有限元分析模型如图2所示.XY图2 制动上带-上带摩擦片有限元模型 机械应力分析结果分析结果采用云纹图形式表达带式制动器所受的应力及位移，制动上带Mises应力云图如图3所示，上带摩擦片Mises应力云图如图4所示.图3 制动上带应力云图图4 上带摩擦片应力云图从图3可以看出：1）制动上带两端的应力值较中间部分的应力值要小.对于制动上带在角度f处所取微单元的内表面而言，其沿周向外力等效为

9、上带摩擦片对其施加的摩擦力（随角度f 变化）.而制动上带两端的截面积较中间部分的截面积要大，且摩擦力数值变化缓慢，综合考虑外力及截面积，得出中间部分应力值较两端.整个制动上带应力最大值出现在螺钉孔内，达到113MPa.2）同侧螺钉孔内的应力值比较接近，且在螺钉孔内均出现应力集中情况.3）为便于装配，在制动上带自由端处采用20×45°的倒角.从图4可看出：上带摩擦片两端的应力值稍大于中间部分，这点恰好与制动上带相反.这主要是因为在实际装配过程中，上带摩擦片是通过沉头螺钉与制动上带连接在一起.而对于上带摩擦片而言，由于上带摩擦片与锚链轮及上带摩擦片与制动上带的摩擦系数相等，均为

10、0.35，故上带摩擦片在角度f处所取微单元的内外表面所受摩擦力大小相等，方向相反，仅受到沉头螺钉对其沿锚链轮旋转方向一致的周向拉力.Pa.2 制动带-摩擦片摩擦接触的瞬态温度场分析为了分析带式制动器在恶劣工况下的瞬态温度场分布情况，本文将进行锚链下落55ms内紧急制动过程中带式制动器的瞬态温度场分析.为了节约计算资源及简化模型，对带式制动器瞬态导热温度场分析作如下假设：1）制动上带与上带摩擦片的接触界面为理想曲面；2）在制动工程中，认为摩擦系数不随温度的改变而变化；3）忽略材料磨损，认为锚链轮的动能全部转化为摩擦热而被摩擦副吸收；4）制动上带及上带摩擦片的材料均为各向同性材料，且材料热物性参数

11、不随温度变化；5）对流换热系数为常数，其不随空间变化而变化；6）由于辐射换热对摩擦温度场的影响很小，可以忽略不计，故仅考虑上带摩擦片与制动上带间的热传导及制动上带与环境之间的对流换热. 制动上带-上带摩擦片有限元模型 材料热物性参数制动上带的导热率为48W/(m·K)，比热为460J/(kg·K)，热膨胀系数为×10-6m/K；上带摩擦片的导热率为100W/(m·K)，比热为9.8J/(kg·K)，热膨胀系数为2×10-6m/K. 制动热流密度带式制动器工作时的动能转变为大量的热能，该热量以热流的形式在摩擦副零件间分配.忽略磨损的影响

12、，带式制动器制动热流密度可以表示为4： （1）式中，m为摩擦系数；p(t)为摩擦表面上的比压（N/m2）；v(t)为制动上带的相对移动速度（m/s）.其中摩擦表面上的比压p(t)可由参考文献1求得，本文假定其值与时间无关，仅与空间位置有关.实际工作中，制动带的相对移动速度即为锚链轮的瞬时转速.在制动过程中，其随时间的变化而改变.当船舶抛锚时，在锚链逐渐下落的过程中，部分锚链及锚的重力势能转换为参与运动的锚链的动能、锚链轮的动能、锚链主轴的动能.对制动起始时刻及制动终止时刻依据能量守恒定律且考虑有72%的机械效率损失，经计算求得锚链轮制动前的瞬时转速为18.58 m/s. 热流分配系数热流分配系

13、数为5： （2）式中，r为密度，c为比热，k为热传导系数，下标b、p分别表示制动上带与上带摩擦片，即rb为制动带的密度，rp为摩擦片的密度.将材料的热物性参数带入式（2）中，得：g. 制动上带对流换热系数及摩擦面热传导系数的确定由经验公式得到带式制动器与海风的平均热交换系数6： （3）其中，假设海风风速10m/s；带式制动器长度l.海风的热物理参数如下：运动粘度v×106m2/s；普朗特常数Pr；导热率g ×103W/(m·K).参考文献7，制动上带与上带摩擦片间的接触热传导系数为2×104W/(m·K). 制动上带-上带摩擦片有限元模型对上带

14、摩擦片内表面施加随空间及时间变化的热流密度，定义上带摩擦片及制动上带两个接触体，并指定接触传热性质：环境温度、与环境介质的对流放热系数及接触体之间处于接触传热时的对流放热系数.同时定义上带摩擦片及制动上带初始温度为环境温度20. 瞬态热分析结果为了观察瞬态温度分布情况，在制动上带及上带摩擦片内外表面分别选取了部分节点.上带摩擦片内表面所选节点如图5所示，其随时间变化曲线如图6所示. 制动上带外表面所选节点如图7所示，其随时间变化曲线如图8所示XYZ节点371节点631节点764节点843图5 上带摩擦片内表面所选节点1201008060402000节点371节点631节点843节点764时间/

15、s温度/图6上带摩擦片内表面所选节点温度随时间变化曲线由图6可以看出：1）在制动初始阶段（0s0.1s左右），由于锚链轮转速很高，作为热边界条件输入的热流密度也很大.且在紧急制动工况下，因s0.4s左右），随着锚链轮转速的降低，输入的热流密度也不断减小，同时因s 1.6s），随着锚链轮转速的进一步降低，这时制动上带的接触热传导及对流换热的作用大于作为热边界条件输入的热流密度的作用，上带摩擦片内表面温度下降加速.2）随着制动的中止，制动上带内表面所选4个节点的温度值趋于相等.主要原因：在制动开始阶段，对上带-上带摩擦片的温度场分布起主导作用的是上带摩擦片与锚链轮之间摩擦所产生的热流密度的输入，因

16、锚链轮施加给上带摩擦片的比压不同，故各点热流密度在数值上也存在差异，直接导致各节点温升的不同；在制动中后期，随着锚链轮速度的减少，输入的热流密度逐渐减少，对温度场的影响也逐渐减弱，而上带摩擦片与制动上带的接触热传导及制动上带与环境对流换热对于温度场分布的影响逐渐占据主导地位，故随着制动的结束，制动上带内表面所选4个节点的温度值趋于相等.3）由于受到热流密度的输入和热传导及对流换热的交替作用，以致所选4个节点温度随时间变化的曲线呈锯齿形，而位于自由端侧的节点371因输入的热流密度较小，其随时间变化的温度曲线相比其它节点较为平滑.XYZRTZ节点5327节点5274节点5334节点5038图7 制

17、动上带外表面所选节点1201008060402000节点5274节点5327节点5038节点5334时间/s温度/图8 制动带外表面所选节点温度随时间变化曲线由图8可看出：制动上带外表面温升比较平缓，其表面温度约在1ss.这是因为随着时间的推移及接触热传导的作用，制动上带的温度缓慢上升，但由于接触热传导温度的降低及对流换热，所选各点温度又缓慢下降.3 结语通过对制动上带与上带摩擦片的摩擦接触进行数值仿真和分析，可以得出以下结论：1）该制动上带与上带摩擦片的强度在制动工况下均满足设计要求；2）上带摩擦片与制动上带的接触面在制动初始阶段存在很大的温度梯度，将会产生不容忽视的热应力；3）上带摩擦片表

18、面温度随时间变化的曲线呈锯齿形，这将引起摩擦区域温度的间歇变化，产生周期性变化的热应力；4）由于接触区域的摩擦热流密度的输入与锚链轮和上带摩擦片间的接触界面的压力分布有关，而温度的变化必然导致上带摩擦片的热变形，即摩擦界面间的温度场与应力场是耦合的.故要更准确地研究带式制动器地制动过程，就必须要对带式制动器进行热机耦合分析.参考文献：1杨耀峰，吴春英.带式制动器的理论分析和设计J.西北轻工业学院学报，1995, 13 (3): 27-30.2王玉亭.大型带式制动器设计与制造J.起重运输机械,1995, (8): 9-13.3薛闯，贾建军，舒嵘，王建宇等.装配体结构有限元分析中的螺钉连接模型J.科学技术与工程，2006, 6(7): 825-828.4Kennedy. F. E. Jr. Surface Temperatures in Sliding Systems- A Finite Element AnalysisJ. ASME Journal of Tribology, 1981, 103:90-96.5Jianqun.Gao, Si.C.Lee, Xiaolan. Ai and Harvey Nixon. An FFT-Based Transient Flash Temperature Model for General Three-Dimensional