汽车盘式制动器热结构耦合仿真分析
目 录
1 引言 1
1．1 课题的研究背景与意义 1
1．2 课题的国内外研究现状 2
1．3 课题的主要研究内容及方法 3
2 盘式制动器实体模型的建立 3
2．1 对象的选取 3
2．2 软件的选取 4
2．3 Pro/E软件简介 4
2．4 盘式制动器实体模型的建立与简化 5
3 盘式制动器热-结构耦合有限元模型的建立 8
3．1 汽车盘式制动器的热-结构耦合现象 8
3．2 有限元分析的理论基础 9
3．3 制动盘材料的物理特性 13
3．4 热流输入模型的建立 14
3．5 制动盘和摩擦片的网格划分 14
3．6 相关计算数据和边界条件的确定 15
4 盘式制动器热-结构耦合仿真分析 21
4．1 分析方法 21
4．2 分析结果 21
结 论 25
参 考 文 献 26
致 谢 27
1 引言
1．1 课题的研究背景与意义
制动器是汽车制动系统的重要组成部件，其直接影响汽车的制动效能。当前，汽车盘式制动器因其具备结构简单、制动效能好和易于维修等特点而在各类汽车特别是轿车中广泛应用。但由于盘式制动器设计要求的提高，单一考虑结构的传统设计方法已不能满足其性能提升的需要。此外，由于技术条件的限制，对盘式制动器的研究大体专注于简化制动器的结构或降低制动器材料的热膨胀系数，而忽略了汽车盘式制动器热-结构耦合现象。而随着科学技术的不断发展，特别是大量仿真分析软件的开发与应用， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
使我们有条件对汽车制动过程中的盘式制动器进行仿真分析。
通过仿真和分析制动过程中汽车盘式制动器的热-结构耦合现象，将会得到制动盘温度的分布情况与变化规律，从而为设计和优化盘式制动器提供理论参考，是汽车盘式制动器设计的重要内容。
1.1.1 汽车盘式制动器的工作原理
当司机踩下制动器制动踏板时，汽车将会制动。而在这个过程中，司机施加在制动踏板上的力最终会转化为制动缸的液压力，它将推动存在于制动钳内部的活塞工作，从而使制动盘和摩擦片接触并发生摩擦作用。这时，盘式制动器的制动盘由于受到与制动器摩擦片之间的力将会逐渐停止转动，同时因为制动盘和车轮连接在一起得缘故，汽车的车轮将会随着制动盘的停止而停止转动，以此达到制动的目的。汽车盘式制动器结构如图1.1所示。
图1.1 盘式制动器的结构
1．2 课题的国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
JR Barber是最先开始对制动器进行研究的学者，他在实验中发现制动器出现局部高温将会引起制动失效，并将这个问题归类到了热-结构耦合的研究范围。Bortol首先使用CAD/CAE软件建立了摩擦接触模型，并提出了临界速度的观点。近年来，随着计算机模拟对盘式制动器技术的研究的完善和成熟，对盘式制动器设计和优化的研究明显有了质的提升。2011年Mehrnooh和Mohammad研究了在制动过程中旋转制动盘的温度及厚度对于热应力和机械应力的影响，并且得出了不同表面轮廓的制动盘由于材料性能的分布不同而使其特性复杂[1]。Mukesh Kumara和Xavier Borodin在专门设计的摩擦磨损试验机上对不同摩擦系数的材料进行了评价对比，并研究了制动条件下的热点和热定位现象，得出结论复合铁粉能更好地显示热点产生的趋势[2]。2012年Mestee sut Duzgun研究在汽车连续制动下，对三种不同方案的通风盘式制动器进行有限元热行为分析，主要以产热量和热应力作为衡量性能指标，结果表明，盘表面相互开槽的通风制动器散热量最大，即散热性能最好[3]。
1.2.2 国内研究现状
国内专家学者主要针对盘式制动器性能、材料和热结构耦合进行研究，并在研究中引入先进的技术手段，如仿真模型技术、现代优化技术，代表了目前对盘式制动器研究的主要趋势[4]。2013年太原理工大学的袁强、张翠萍等人根据摩擦生热的基本理论，使用Abaqus软件对汽车制动过程中的盘式制动器进行了仿真分析，获得了汽车制动器温度场温度的变化和分布规律[5]。2014年江苏大学的夏长高、张剑参照汽车盘式制动器的实际大小，同时把汽车制动过程中热源移动和速度变化的影响考虑在内，建立起了盘式制动器在紧急制动条件下的有限元模型，获得了在这种情况下制动盘瞬态温度场温度的分布和变化规律[6]。
1．3 课题的主要研究内容及方法
(1) 描述了课题的研究背景和意义，对汽车盘式制动器热-结构耦合问题的国内外研究现状进行了分析，并指出了传统研究方法的不足。
(2) 建立盘式制动器的三维实体模型。通过比较各类建模和有限元分析软件，选取并利用Pro/E建立起轿车盘式制动器的三维实体模型。在此过程中熟悉汽车盘式制动器的相关参数，并将建立好的三维实体模型进行简化。
(3) 分析和研究 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
汽车盘式制动器有限元分析的基本理论，同时建立起汽车盘式制动器的有限元模型。对盘式制动器的三维实体模型进行网格划分，分析汽车盘式制动器的热-结构耦合现象。同时掌握热-结构耦合问题的理论基础，确定相关计算数据和边界条件。
(4) 根据仿真结果，分析制动器热-结构耦合现象对制动过程中制动盘温度分布与变化的影响。同时，利用Pro/E软件对所建立的模型进行求解，得到盘式制动器温度场的详细情况。
2 盘式制动器实体模型的建立
2．1 对象的选取
制动器是汽车制动系统的重要组成部件，其直接影响汽车的制动效能。随着盘式制动器结构性能的提升和制造成本的降低，其被广泛地用于各类汽车。所以，选取盘式制动器作为本课题的研究对象，具有广泛的现实意义，符合汽车车轮制动器的发展趋势。同时，在我们的现实生活中，使用盘式制动器作为车轮制动器的轿车随处可见，所以很容易取得研究材料，降低了研究难度和成本。
2．2 软件的选取
常用的建模软件有Pro/E、UG和SolidWork。其中，UG功能强大，被广泛用于各类负责实体和模型的构建，现在已是三维设计行业的主流软件。但是和Pro/E相比，UG太过复杂而且不容易上手，所以不用UG作为本文建模的工具。而SolidWork拥有容易使用和友好的设计界面，所以其设计效率得到了很大的提升。然而，SolidWork软件的仿真和分析功能的使用效果不是很好。所以综上所述，本文选取Pro/E作为建模和仿真分析的工具。
2．3 Pro/E软件简介
2.3.1 Pro/E软件概述
179850026401285317
2.4.2 三维实体模型的建立
在电脑桌面上打开Pro/E软件，进入Pro/E工作窗口。单击 ，设置工作目录，如图2.1所示。
图2.1 工作目录的选取
单击 ，选取“新建”命令，在出现的窗口界面中选择“零件”和“实体”命令，划去“使用缺省模块”的项目，最后单击“确定”按钮。将会出现“新文件选项”菜单窗口，然后在窗口中用光标点击“mmns-part-solid”，点击“确定” 命令，进入零件实体的设计界面。单击 ，在弹出的对话框中单击 ，会弹出草绘条件设置界面，选择基准面，点击”草绘”按钮，会弹出草绘设计窗口。下面开始设计并建立三维立体模型。在零件实体设计界面右侧单击 ，按照汽车盘式制动器制动盘的尺寸画2个同心圆，其半径分别为70mm和138mm。点击 按钮，并输入制动盘厚度，为28mm，通过 预览，单击 ，完成制动盘的建模，如图2.2所示。下面将在刚刚建立的汽车盘式制动器制动盘的基础上完成摩擦片三维实体模型的建立。
1 引言 1
1．1 课题的研究背景与意义 1
1．2 课题的国内外研究现状 2
1．3 课题的主要研究内容及方法 3
2 盘式制动器实体模型的建立 3
2．1 对象的选取 3
2．2 软件的选取 4
2．3 Pro/E软件简介 4
2．4 盘式制动器实体模型的建立与简化 5
3 盘式制动器热-结构耦合有限元模型的建立 8
3．1 汽车盘式制动器的热-结构耦合现象 8
3．2 有限元分析的理论基础 9
3．3 制动盘材料的物理特性 13
3．4 热流输入模型的建立 14
3．5 制动盘和摩擦片的网格划分 14
3．6 相关计算数据和边界条件的确定 15
4 盘式制动器热-结构耦合仿真分析 21
4．1 分析方法 21
4．2 分析结果 21
结 论 25
参 考 文 献 26
致 谢 27
1 引言
1．1 课题的研究背景与意义
制动器是汽车制动系统的重要组成部件，其直接影响汽车的制动效能。当前，汽车盘式制动器因其具备结构简单、制动效能好和易于维修等特点而在各类汽车特别是轿车中广泛应用。但由于盘式制动器设计要求的提高，单一考虑结构的传统设计方法已不能满足其性能提升的需要。此外，由于技术条件的限制，对盘式制动器的研究大体专注于简化制动器的结构或降低制动器材料的热膨胀系数，而忽略了汽车盘式制动器热-结构耦合现象。而随着科学技术的不断发展，特别是大量仿真分析软件的开发与应用， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
使我们有条件对汽车制动过程中的盘式制动器进行仿真分析。
通过仿真和分析制动过程中汽车盘式制动器的热-结构耦合现象，将会得到制动盘温度的分布情况与变化规律，从而为设计和优化盘式制动器提供理论参考，是汽车盘式制动器设计的重要内容。
1.1.1 汽车盘式制动器的工作原理
当司机踩下制动器制动踏板时，汽车将会制动。而在这个过程中，司机施加在制动踏板上的力最终会转化为制动缸的液压力，它将推动存在于制动钳内部的活塞工作，从而使制动盘和摩擦片接触并发生摩擦作用。这时，盘式制动器的制动盘由于受到与制动器摩擦片之间的力将会逐渐停止转动，同时因为制动盘和车轮连接在一起得缘故，汽车的车轮将会随着制动盘的停止而停止转动，以此达到制动的目的。汽车盘式制动器结构如图1.1所示。
图1.1 盘式制动器的结构
1．2 课题的国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
JR Barber是最先开始对制动器进行研究的学者，他在实验中发现制动器出现局部高温将会引起制动失效，并将这个问题归类到了热-结构耦合的研究范围。Bortol首先使用CAD/CAE软件建立了摩擦接触模型，并提出了临界速度的观点。近年来，随着计算机模拟对盘式制动器技术的研究的完善和成熟，对盘式制动器设计和优化的研究明显有了质的提升。2011年Mehrnooh和Mohammad研究了在制动过程中旋转制动盘的温度及厚度对于热应力和机械应力的影响，并且得出了不同表面轮廓的制动盘由于材料性能的分布不同而使其特性复杂[1]。Mukesh Kumara和Xavier Borodin在专门设计的摩擦磨损试验机上对不同摩擦系数的材料进行了评价对比，并研究了制动条件下的热点和热定位现象，得出结论复合铁粉能更好地显示热点产生的趋势[2]。2012年Mestee sut Duzgun研究在汽车连续制动下，对三种不同方案的通风盘式制动器进行有限元热行为分析，主要以产热量和热应力作为衡量性能指标，结果表明，盘表面相互开槽的通风制动器散热量最大，即散热性能最好[3]。
1.2.2 国内研究现状
国内专家学者主要针对盘式制动器性能、材料和热结构耦合进行研究，并在研究中引入先进的技术手段，如仿真模型技术、现代优化技术，代表了目前对盘式制动器研究的主要趋势[4]。2013年太原理工大学的袁强、张翠萍等人根据摩擦生热的基本理论，使用Abaqus软件对汽车制动过程中的盘式制动器进行了仿真分析，获得了汽车制动器温度场温度的变化和分布规律[5]。2014年江苏大学的夏长高、张剑参照汽车盘式制动器的实际大小，同时把汽车制动过程中热源移动和速度变化的影响考虑在内，建立起了盘式制动器在紧急制动条件下的有限元模型，获得了在这种情况下制动盘瞬态温度场温度的分布和变化规律[6]。
1．3 课题的主要研究内容及方法
(1) 描述了课题的研究背景和意义，对汽车盘式制动器热-结构耦合问题的国内外研究现状进行了分析，并指出了传统研究方法的不足。
(2) 建立盘式制动器的三维实体模型。通过比较各类建模和有限元分析软件，选取并利用Pro/E建立起轿车盘式制动器的三维实体模型。在此过程中熟悉汽车盘式制动器的相关参数，并将建立好的三维实体模型进行简化。
(3) 分析和研究 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
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(4) 根据仿真结果，分析制动器热-结构耦合现象对制动过程中制动盘温度分布与变化的影响。同时，利用Pro/E软件对所建立的模型进行求解，得到盘式制动器温度场的详细情况。
2 盘式制动器实体模型的建立
2．1 对象的选取
制动器是汽车制动系统的重要组成部件，其直接影响汽车的制动效能。随着盘式制动器结构性能的提升和制造成本的降低，其被广泛地用于各类汽车。所以，选取盘式制动器作为本课题的研究对象，具有广泛的现实意义，符合汽车车轮制动器的发展趋势。同时，在我们的现实生活中，使用盘式制动器作为车轮制动器的轿车随处可见，所以很容易取得研究材料，降低了研究难度和成本。
2．2 软件的选取
常用的建模软件有Pro/E、UG和SolidWork。其中，UG功能强大，被广泛用于各类负责实体和模型的构建，现在已是三维设计行业的主流软件。但是和Pro/E相比，UG太过复杂而且不容易上手，所以不用UG作为本文建模的工具。而SolidWork拥有容易使用和友好的设计界面，所以其设计效率得到了很大的提升。然而，SolidWork软件的仿真和分析功能的使用效果不是很好。所以综上所述，本文选取Pro/E作为建模和仿真分析的工具。
2．3 Pro/E软件简介
2.3.1 Pro/E软件概述
179850026401285317
2.4.2 三维实体模型的建立
在电脑桌面上打开Pro/E软件，进入Pro/E工作窗口。单击 ，设置工作目录，如图2.1所示。
图2.1 工作目录的选取
单击 ，选取“新建”命令，在出现的窗口界面中选择“零件”和“实体”命令，划去“使用缺省模块”的项目，最后单击“确定”按钮。将会出现“新文件选项”菜单窗口，然后在窗口中用光标点击“mmns-part-solid”，点击“确定” 命令，进入零件实体的设计界面。单击 ，在弹出的对话框中单击 ，会弹出草绘条件设置界面，选择基准面，点击”草绘”按钮，会弹出草绘设计窗口。下面开始设计并建立三维立体模型。在零件实体设计界面右侧单击 ，按照汽车盘式制动器制动盘的尺寸画2个同心圆，其半径分别为70mm和138mm。点击 按钮，并输入制动盘厚度，为28mm，通过 预览，单击 ，完成制动盘的建模，如图2.2所示。下面将在刚刚建立的汽车盘式制动器制动盘的基础上完成摩擦片三维实体模型的建立。
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