高压大型车用盘式制动器钳体强度计算及优化设计(附件)
摘 要摘 要随着社会的不断进步，人们生活水平的不断提高，汽车的数量也不断地在上涨，而人们在追求速度的同时，对汽车的安全问题也越来越关注。而汽车制动过程中最主要的执行机构就是制动器，也就是说汽车的行驶安全性会被制动器的性能好坏直接影响。因此对于作为汽车制动器重要的部分钳体研究分析就更具有重要的现实意义。本文首先对本次立题的目的和意义以及国内外研究发展的现状和盘式制动器存在的问题做了简要的介绍，之后总结了在工作状态中气压盘式制动器的优缺点，并图文并茂的介绍了盘式制动器的工作原理。在SolidWorks中建立钳体的三维模型，根据盘式制动器钳体的工作原理和结构上的特点，用Hyperworks进行有限元分析，具体步骤如下：建立钳体有限元分析模型，采用四面体单元模拟实现；根据其实际工作工况进行静力学分析，得出在制动过程中钳体所受的应力；通过拓扑优化和形状优化，得出钳体的最佳形状；借助SolidWorks软件和Autocad软件对优化后的钳体进行三维图和二维图的绘制。关键词：制动器；钳体；有限元分析；静力学分析；结构优化Abstract 目 录
第一章 绪 论 1
1.1 立题的目的和意义 1
1.2 盘式制动器钳体研究现状及存在问题 1
1.2.1 国内外研究现状 1
1.2.2 盘式制动器存在问题 2
1.3 主要工作 3
1.4 本章小结 3
第二章 盘式制动器及钳体有限元模型的建立 4
2.1 盘式制动器概述 4
2.2 盘式制动器工作原理分析 4
2.3有限元模型建立的基本方法 5
2.4盘式制动器钳体有限元模型的建立 6
2.4.1 Hyperworks软件介绍 6
2.4.2 模型的简化 7
2.4.3 盘式制动器钳体网格模型 8
2.5 网格模型的建立 8
2.5.1 几何清理 8
2.5.2 网格划分 8
2.5.3 网格质量检测 9
2.6 划分设计区与非设计区 10
2.7 本章小结 10
第三章 盘式制动器
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
6
2.4.2 模型的简化 7
2.4.3 盘式制动器钳体网格模型 8
2.5 网格模型的建立 8
2.5.1 几何清理 8
2.5.2 网格划分 8
2.5.3 网格质量检测 9
2.6 划分设计区与非设计区 10
2.7 本章小结 10
第三章 盘式制动器钳体有限元分析模型设置及结果 11
3.1 线性静力分析 11
3.1.1 盘式制动器钳体基本属性设置 11
3.1.2 盘式制动器钳体工况的确定 12
3.1.3 工况的设置 13
3.1.4 有限元分析结果 15
3.2 本章小结 16
第四章 基于OptiStruct钳体结构的优化设计 17
4.1 优化求解器OptiStruct简介 17
4.1.1 OptiStruct结构优化设计流程 17
4.2 拓扑优化 18
4.2.1 拓扑优化三要素 18
4.2.2 盘式制动器钳体拓扑优化软件设置 18
4.2.3 盘式制动器钳体拓扑优化结果 22
4.3 形状优化 23
4.3.1 形状优化三要素 23
4.3.2 盘式制动器钳体形状优化软件设置 24
4.3.3 盘式制动器钳体形状优化结果 29
4.4 形状优化后钳体的强度计算 31
4.5本章小结 32
总 结 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
第一章 绪 论
1.1 立题的目的和意义
随着高压大型车辆制造设计技术的不断发展，人们对车辆的制动安全性能的可靠性也提出了越来越高的要求。由于高压大型车所用的制动器具有操作安全可靠，制动力矩大，制动效率高和散热性能好等优点，所以现代各种大型车辆均采用大型车使用的盘式制动器。作为盘式制动器的一个重要组成结构的钳体，对车辆的制动安全方面起着尤其重要的作用就是其的自身性能的高低。因此，高压大型车辆制动测试方案中的重要部分就是盘式制动器钳体强度性能的检测。本课题选用高压大型车用盘式制动器钳体为研究对象，对其几何模型运用Hypermesh软件进行结构力学性能的分析及结构的优化，从而得出最优结构。
这次课题研究的盘式制动器不是通常尺寸的22.5吋，而是非常规的尺寸24.5吋，但这种尺寸的制动器能更好的适应我国的特殊环境面貌，符合我国的基本国情[1]。在世界各地，尤其是位于西欧的各个国家，盘式制动器早已大量的运用到小型汽车的前轮驱动。但不可否认的是，盘式制动器也有它自身的不足，例如在制动反应时间短，并且摩擦力矩较大的要求下，制动距离比较小等几种情况同时存在的情况下，难以保证良好的制动工作效率。本文进行作为盘式制动器重要组成部分之一的钳体的优化设计，就是扬长补短，实现盘式制动器的性能最佳。
1.2 盘式制动器钳体研究现状及存在问题
1.2.1 国内外研究现状
现在制动器按照结构分类主要有盘式制动器和鼓式制动器两种，此外还有一般用于特种车辆的湿式制动器[2]。与一般的鼓式制动器相比，盘式制动器具有如下优点：散热性能良好、抗热衰退能力强以及抗水衰退能力佳，同时，盘式制动器更为稳定并且间隙调节方便，维护和修理容易。通常情况下盘式制动器按照驱动装置可以分为气压盘式制动器和液压盘式制动器两种。但是液压盘式制动器所能供应的制动力矩较小、制动效率比较低，无法满足大型车辆的制动要求，因此一般用于小型汽车；气压盘式制动器则主要使用在货车、大型客车、校车以及工程车等车辆上。早在 1902 年 Frederick William Lanchester 就申请了制动器的专利，但是只到上世纪五十年代才广泛应用于民用车辆。与我国相比，国外在盘式制动器的制造及使用方面起步较早，我国在二十世界末期气压盘式制动器才逐步开始进入我国市场，同时伴随着对盘式制动器认识的不断加深和功能的更多深入了解，我国生产盘式制动器的公司随之也在稳步的增加。虽然国内盘式制动器生产企业可能在技术上略逊于例如克诺尔等跨国制动器生产企业，但是目前国内的一些制动器生产企业无论是在规模研发能力上，还是在产品所占市场份额上，也可以在一定程度上接近跨国制动器生产企业的生产水平，例如浙江万安、武汉元丰、亚太机电、红宇精密等[3]。最近，三环集团控股某汽车零部件有限公司，他们在盘式制动器的生产水平方面达到一个国内新的高度，这更将大大地促进国内盘式制动器生产的创新设计发张，提高国内盘式制动器在世界上的竞争力。
由于欧美地势平坦，很少有大的山峦起伏，因而，国外的气压盘式制动器制动管道气压多为0.8MPa。而我国是一个多山的国家，道路情况复杂，如果完全依据国外的标准来生产气压盘式制动器，则不符合中国的道路实际情况。对于特殊的山区路段我们可能需要更大的制动管道气压如 1.2MPa[4]。同时对于像云贵山区的连续下坡路这类道路情况，为了防止制动器过热导致的热衰退，我们可能需要 24.5 吋或者更大的制动盘，而在欧洲最大的制动盘仅为22.5吋。与此同时，我国还存在“中国式过马路”以及高速逆行、酒驾等法律意识淡薄的情况。在我国交通法律法规中类似于交通事故同情弱者的判罚更加剧了中国交通的混乱情况。在2011年12月31日工信部发布了实施产品公告管理方案的举措，虽然出发点是为了规范车辆生产企业，但是其中的费用会使很多企业不会在
第一章 绪 论 1
1.1 立题的目的和意义 1
1.2 盘式制动器钳体研究现状及存在问题 1
1.2.1 国内外研究现状 1
1.2.2 盘式制动器存在问题 2
1.3 主要工作 3
1.4 本章小结 3
第二章 盘式制动器及钳体有限元模型的建立 4
2.1 盘式制动器概述 4
2.2 盘式制动器工作原理分析 4
2.3有限元模型建立的基本方法 5
2.4盘式制动器钳体有限元模型的建立 6
2.4.1 Hyperworks软件介绍 6
2.4.2 模型的简化 7
2.4.3 盘式制动器钳体网格模型 8
2.5 网格模型的建立 8
2.5.1 几何清理 8
2.5.2 网格划分 8
2.5.3 网格质量检测 9
2.6 划分设计区与非设计区 10
2.7 本章小结 10
第三章 盘式制动器
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
6
2.4.2 模型的简化 7
2.4.3 盘式制动器钳体网格模型 8
2.5 网格模型的建立 8
2.5.1 几何清理 8
2.5.2 网格划分 8
2.5.3 网格质量检测 9
2.6 划分设计区与非设计区 10
2.7 本章小结 10
第三章 盘式制动器钳体有限元分析模型设置及结果 11
3.1 线性静力分析 11
3.1.1 盘式制动器钳体基本属性设置 11
3.1.2 盘式制动器钳体工况的确定 12
3.1.3 工况的设置 13
3.1.4 有限元分析结果 15
3.2 本章小结 16
第四章 基于OptiStruct钳体结构的优化设计 17
4.1 优化求解器OptiStruct简介 17
4.1.1 OptiStruct结构优化设计流程 17
4.2 拓扑优化 18
4.2.1 拓扑优化三要素 18
4.2.2 盘式制动器钳体拓扑优化软件设置 18
4.2.3 盘式制动器钳体拓扑优化结果 22
4.3 形状优化 23
4.3.1 形状优化三要素 23
4.3.2 盘式制动器钳体形状优化软件设置 24
4.3.3 盘式制动器钳体形状优化结果 29
4.4 形状优化后钳体的强度计算 31
4.5本章小结 32
总 结 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
第一章 绪 论
1.1 立题的目的和意义
随着高压大型车辆制造设计技术的不断发展，人们对车辆的制动安全性能的可靠性也提出了越来越高的要求。由于高压大型车所用的制动器具有操作安全可靠，制动力矩大，制动效率高和散热性能好等优点，所以现代各种大型车辆均采用大型车使用的盘式制动器。作为盘式制动器的一个重要组成结构的钳体，对车辆的制动安全方面起着尤其重要的作用就是其的自身性能的高低。因此，高压大型车辆制动测试方案中的重要部分就是盘式制动器钳体强度性能的检测。本课题选用高压大型车用盘式制动器钳体为研究对象，对其几何模型运用Hypermesh软件进行结构力学性能的分析及结构的优化，从而得出最优结构。
这次课题研究的盘式制动器不是通常尺寸的22.5吋，而是非常规的尺寸24.5吋，但这种尺寸的制动器能更好的适应我国的特殊环境面貌，符合我国的基本国情[1]。在世界各地，尤其是位于西欧的各个国家，盘式制动器早已大量的运用到小型汽车的前轮驱动。但不可否认的是，盘式制动器也有它自身的不足，例如在制动反应时间短，并且摩擦力矩较大的要求下，制动距离比较小等几种情况同时存在的情况下，难以保证良好的制动工作效率。本文进行作为盘式制动器重要组成部分之一的钳体的优化设计，就是扬长补短，实现盘式制动器的性能最佳。
1.2 盘式制动器钳体研究现状及存在问题
1.2.1 国内外研究现状
现在制动器按照结构分类主要有盘式制动器和鼓式制动器两种，此外还有一般用于特种车辆的湿式制动器[2]。与一般的鼓式制动器相比，盘式制动器具有如下优点：散热性能良好、抗热衰退能力强以及抗水衰退能力佳，同时，盘式制动器更为稳定并且间隙调节方便，维护和修理容易。通常情况下盘式制动器按照驱动装置可以分为气压盘式制动器和液压盘式制动器两种。但是液压盘式制动器所能供应的制动力矩较小、制动效率比较低，无法满足大型车辆的制动要求，因此一般用于小型汽车；气压盘式制动器则主要使用在货车、大型客车、校车以及工程车等车辆上。早在 1902 年 Frederick William Lanchester 就申请了制动器的专利，但是只到上世纪五十年代才广泛应用于民用车辆。与我国相比，国外在盘式制动器的制造及使用方面起步较早，我国在二十世界末期气压盘式制动器才逐步开始进入我国市场，同时伴随着对盘式制动器认识的不断加深和功能的更多深入了解，我国生产盘式制动器的公司随之也在稳步的增加。虽然国内盘式制动器生产企业可能在技术上略逊于例如克诺尔等跨国制动器生产企业，但是目前国内的一些制动器生产企业无论是在规模研发能力上，还是在产品所占市场份额上，也可以在一定程度上接近跨国制动器生产企业的生产水平，例如浙江万安、武汉元丰、亚太机电、红宇精密等[3]。最近，三环集团控股某汽车零部件有限公司，他们在盘式制动器的生产水平方面达到一个国内新的高度，这更将大大地促进国内盘式制动器生产的创新设计发张，提高国内盘式制动器在世界上的竞争力。
由于欧美地势平坦，很少有大的山峦起伏，因而，国外的气压盘式制动器制动管道气压多为0.8MPa。而我国是一个多山的国家，道路情况复杂，如果完全依据国外的标准来生产气压盘式制动器，则不符合中国的道路实际情况。对于特殊的山区路段我们可能需要更大的制动管道气压如 1.2MPa[4]。同时对于像云贵山区的连续下坡路这类道路情况，为了防止制动器过热导致的热衰退，我们可能需要 24.5 吋或者更大的制动盘，而在欧洲最大的制动盘仅为22.5吋。与此同时，我国还存在“中国式过马路”以及高速逆行、酒驾等法律意识淡薄的情况。在我国交通法律法规中类似于交通事故同情弱者的判罚更加剧了中国交通的混乱情况。在2011年12月31日工信部发布了实施产品公告管理方案的举措，虽然出发点是为了规范车辆生产企业，但是其中的费用会使很多企业不会在
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