制动盘的热分析外文翻译资料

 2022-09-04 20:08:49

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制动盘的热分析

摘要

制动是一个将车辆的动能转化为机械能过程，过程中必然会释放热量。在制动阶段,在制动盘和摩擦片之间产生的摩擦热，会产生很高的温度。这种现象比切向接触应力以及相对滑动速度更重要。本研究的目的是使用ANSYS计算代码分析全盘式和通风式刹车盘车辆的热行为。在盘式制动器中的温度分布的建模是用来确定在制动操作中所有的因素和输入参数有关的时间，如制动的类型，该盘的几何设计和使用的材料。仿真的结果和专业文献相比令人满意。

要点

►在本研究中，我们提出了一个盘式制动器的热行为模拟。►我们计算进入制动盘的初始通量来确定系数h ►后者制成制动盘温度（3D）。►得出温度会受制动盘结构，材料，制动方式影响的结论。

关键词

干燥接触；制动盘；热通量；传热系数

  1. 介绍

热分析是一种对制动系统原始阶段的研究，因为温度决定了结构的热机械行为。在制动阶段，温度和热梯度是非常高的。这会产生应力和变形的后果表现为外观和裂缝的加重。它对准确的确定制动盘的温度场是非常重要的。

在停止制动时，温度没有时间稳定在制动盘上，瞬态分析是必需的。评估热梯度也是非常必要的，这就需要一个三维模型。热量的加载表现为热量通过制动块进入制动盘。紧急制动过程中，在制动盘和制动块接口处会产生大量的热，这些热量无可争议地会在转子区域非均匀的分布。而在摩擦过程中，垫块是不断被加热的。瞬态热分析是来确定在盘式制动器工作时制动器的接触表面上的温度分布的。由于制动盘和固定制动块的相互摩擦产生不均匀热量的问题，通过几种可能发生在汽车应用的传热系数，用有限元模型进行有限元分析。为了在循环制动过程中有一个温度分布比较的可能性，每一个分析的情况下，制动过程和随后的释放周期的能量转化的能量是相等的。时间步进程序开发移动热源在冷却过程中作为边界热通量交换。由于使用了代码，转子旋转过程中产热的准确仿真困难被消除掉了，这就可以画出随后制动盘的热通量曲线图。在这项研究中，我们将展示一个三维数值模型来分析中实型和通风型盘式制动器的热行为。基于有限元法的热力计算将使用有限元软件ANSYS 11进行。

  1. 热通量进入光盘

在制动系统中，将机械能转化为热能。这种能量的特点是在制动阶段制动块和制动盘完全被加热。能量通过热的形式耗散可以产生温度从300°到800°C的范围上升。接触区内的热量是由摩擦力产生的塑性变形引起的。

符号

a

车辆减速度, m/s2

A

矩阵

Ad

制动块摩擦面积, m2

[C]

热容量矩阵, J/K

Cp

具体热量, J/kg K

E

杨氏模量, MPa

{F}

节点磁通矢量, W

g

重力加速度 (9.81 m/s2)

h

对流换热系数,W/m2K

k

导热系数, W/mK

kd

制动盘的热传导率, W/mK

kp

制动块导热系数, W/mK

[K]

导热矩阵, W/K

L

矢量

m

汽车质量, kg

单位矢量

q

体热源, Wm3

q0

进入制动盘的热量, W

Q

具体热源, W

Sphi;

表面积, m2

ST

表面积, m2

t

时间, s

t0

初始时间, s

T

温度, K

{T}

节点温度向量, K

权重函数

T0

初始温度, K

Tf

液体温度, K

TP

加载温度, K

Tinfin;

环境温度, K

U

未知因素

v

汽车初始速度, m/s

z

制动效能

希腊符号

alpha;

热膨胀系数, 1/°C

ε

发射率

εp

制动盘表面载荷分布因素

nu;

泊松系数

rho;

质量密度, kg/m3

sigma;

斯特凡常数(5.67 times; 10minus;8 W/m2K4)

ϕc

对流换热, W/m2

ϕr

辐射传热r, W/m2

ϕs

热流密度, W/m2

ϕ

制动力的分布

缩写词

FG

灰铸铁

CFD

计算流体动力学

通常制动块材料的导热系数小于制动盘（KPlt;KD）。所以我们认为产生的热量将被制动盘完全吸收。该表面的热通量等于摩擦功。进入制动盘初的初始热通量q0的计算公式如下：

z=a/g: 制动效能，a: 车辆减速度[msminus;2]，phi;：前后轴的制动力分布比，Ad ：制动盘被制动块扫过的面积 [m2]，V：车辆的初速度 [msminus;1]，εp:制动盘上的载荷分布因数，M: 车身质量[kg]

图片1 展示了通风盘-制动块和所施加的压力

图1 制动盘制动快总成及受力情况

载荷对应于盘表面的热通量。尺寸和用于热工计算参数汇总在表1

整车整备-m [kg]

1385

初始速度 – v0 [km/h]

28

加速度 – a [m/s2]

8

有效直径Rrotor–[mm]

100.5

制动力分配系数–ф–[%]

20

制动盘上的分配因素 εp

0.5

摩擦面积 Ad [mm2]

35,993

表1 汽车制动器的几何尺寸及应用参数。

制动盘材料是碳含量很高的灰铸铁，具有良好的热物理特性。

  1. 热问题的数值模拟

3.1有限元法

有限元法在许多应用中解决偏微分方程问题[7]。它会生成一个简单的近似的未知因素的连续方程。最后将这些转化为一个完成维度的方程组，在这个方程组里我们可以计划性的写一个式子像AU = L，这里U是一个未知矢量，A是一个矩阵，L也是一个矢量。

3.2形微分

图2所示的系统经受以下热载荷：

  • 一个特定的热源Q[ W ]
  • 一个体积热源q[ W/m3 ]
  • 加在表面ST上的（或规定的）温度 TP
  • 表面Sphi; 上的流量密度 phi;s [W/m2]
  • 在表面Sphi;上由于对流引起的热量转移phi;c
  • 在表面Sphi;上由于辐射引起的热量转移phi;r

图2 作用于连续介质的热负荷

热问题的解决方案是在固体中的任何一点上找到温度场T（x,y,z,t）[8]:

bull; 边界条件

bull; t = t0时的初始条件：

T(x,y,z,t0)=T0(x,y,z)

这里，rho;:材料密度(kg/m3)，Cp：质量热容量(J/(kg K))，：单位法向量这个系统的方程简略写成如下形式[9], [10],[11]:

T*是权重函数（或功能测试）。

随着初始和如下边界条件：

温度场T（x,y,z,t）在整个结构域V中有表达[8]:

[N(x,y,z)]: 插值矩阵, {T(t)}: 节点温度矢量 通过在公式中进行以下计算。(5):

T=[N]{T}

我们得到：

这里

[C]: 热容量矩阵(J/K)，[K]: 导热矩阵(W/K)，{F}:节点流量矢量(W)，{T}:节点温度向量(K)

3.3初始条件

我们假设制动盘的初始温度是恒定的

3.4边界条件

这是一个具有双边界条件的瞬态热问题：

  • 热流量进入制动盘和制动块的接触部分
  • 通过对流热量在整个制动盘上传递，由于制动盘的转速是随时间变化的所以热传递系数h也是变化的

每个制动盘表面换热系数h的计算和输入可以使用ANSYS CFX模块进行

4. ANSYS软件介绍

ANSYS软件程序，于1970年在美国创建，其模块的软件程序用于实现有限元法求解离散化模型。用于此次研究的模块是：

  • ANSYS工作台：该平台用ANSYS编码提供了一种不同的方法来构建模型[12]。它特别适用于解决具有复杂几何形状的问题和非专业的用户。在这样的环境中，用户的工作在几何上，而不是在模型本身。在制定解决方案之前，该平台会将用户输入的数据转化为ANSYS编码。生成的有限元模型是通过将ANSYS程序特定命令的处理实现的。
  • ANSYS ICEM CFD：它是应用于流体力学和机械结构的网格生成软件。
  • ANSYS CFX: 该软件是用来模拟流体力学。
  • ANSYS Metaphysics：本产品包含ANSYS仿真代码的所有模块。

图3展示了ANSYS CFX工作台的仿真阶段

图3 用CFX模拟步骤

5. 对流换热系数的测定

5.1. 介绍

制动系统的热分析，需要精确地确定由于摩擦产生的热量，以及在制动盘和制动衬片之间的能量分布。在紧急制动过程中，接触面所产生的热量等量的被制动盘和制动衬片吸收。当汽车制动时，一部分摩擦热通过对流和辐射逃逸到周围的空气中。因此，传热系数的测定是必不可少的。然而，它们的精确计算却是相当困难的，因为这些系数取决于制动系统的构造和位置，车辆行驶的速度和因此而引起的空气流通速度。由于传热过程的辐射不太重要，我们将只对对流换热系数h使用ANSYS CFX代码进行分析。该参数将被用于确定该光盘的温度的三维分布。

5.2．ANSYS CFX中的建模

第一个阶段是创建CFD模型，包含在ANSYS Workbench的研究领域。在我们的研究中，我们只拿了四分之一的制动盘，然后我们定义了围绕制动盘周围的空气区域。ANSYS ICEM CFD将为两个区域准备各种表面以帮助建立网格，在网格上可以使用命“Output to cfx”向CFX输出结果。在CFX预先获得的模型和边界条件，我们必须定义这些物理量来发挥作用，在CFX开始计算。

该光盘是与四个绝热表面和两个对称表面连接的，在流体域的周围空气温度为20°C [13]。非稳定状态分析是必要的。图4展示了精细模型CFD，将被用于ANSYS CFX Pre的分析。

  1. 物理模型：在这一步，建议涉及所有固体和流体的物理特性。在网格划分后，来自不同的模型的所有参数可以开始分析。
  2. 定义域：首先可以操作模型，打开“Thermal Energy”点击“Heat Transfer”就可以进行热传递计算。

图4 制动器CFD 模型

流体域：速度输入：

盘域：进入通量：

CF = 149,893.838

FLOWnon.st：非静止流量输入

Ventnon.st：非平稳

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