發(fā)布時間：2016-08-20 06:18

制動器制動時溫度分布是一個多學科問題。工程車通過制動器進行制動，把機車的動能通過摩擦盤之間的摩擦作用轉化為熱能，相當于一個能量轉化器。制動器制動過程實際上是一個熱-固-流多物理場相互作用的過程。所以，研究制動器制動的熱-固-流多物理場的相互作用不但可以拓展仿真研究，也有很高的應用價值。目前，對制動器制動過程中的多物理場的研究的方法還很不成熟，由于軟件的限制，以前的大多數(shù)研究人員都停留在單個或者兩個物理場的仿真分析階段，或是只對摩擦盤進行研究，而忽略了整體性；另由于制動器實物實驗的復雜性和龐大性，在閱讀文獻的過程中并未發(fā)現(xiàn)多盤干式制動器實際測量案例，這就造成仿真數(shù)據(jù)的可信度下降，沒有與實際實驗結果對比，誤差有多大，更無從得知。隨著有限元分析軟件、流體動力計算技術以及計算機性能發(fā)展，提出了使用流固耦合傳熱技術對制動器多物理場相互作用進行仿真研究，更加切于實際更便于仿真計算。本課題針對整個多盤干式制動器，開展其制動過程中多物理場耦合仿真的研究，獲得耦合分析后的溫度場分布、固體場。然后結合實物實驗，經過仿真數(shù)據(jù)和實物數(shù)據(jù)的對比研究，驗證了有限元仿真模型的有效性，為制動器的設計和優(yōu)化節(jié)省了成本，縮短了研發(fā)周期。

........

2 多盤干式制動器多物理場計算理論研究

2.1 盤式制動器摩擦生熱理論

宏觀上，多盤干式制動器制動時是摩擦元件之間相互摩擦接觸進而磨損耗能的過程，制動器本身通過對偶盤和摩擦盤之間的摩擦副把工程車行進過程中的動能轉化為熱能，熱量的傳導和擴散必然導致制動器相關部件溫度升高。微觀上，由于摩擦材料和對偶材料表面接觸的不均勻性，實際接觸面積遠小于名義接觸面積且不連續(xù)，而熱源就在實際接觸位置處產生[33-35]。

2.2 湍流模型流體動力學研究

19 世紀 80 年代，英國物理學家雷諾通過實驗現(xiàn)象證明了粘性流體在流動過程中存在兩種特性截然不同的流動狀態(tài)：層流和湍流。當流體速度較小時，流體質點在各自流程所在層上作直線運動，即為層流。湍流是自然界非常普遍的流體流動類型，其經常出現(xiàn)在速度變動的地方，此時流動不再是平滑的，而是做復雜無規(guī)則的非定常運動，液體質點具有不斷相互摻混的現(xiàn)象，，速度和壓力等相關物理量在時間和空間上具有隨機性質的脈動值。因此湍流研究只能借助于一些半經驗的實驗和理論。分析制動器運動過程及制動原理，流體在摩擦盤的旋轉的情況下，流體做復雜的無規(guī)則的非定常運動，空氣質點不斷相互摻混，顯然制動器流體流動應采用湍流計算模型。本節(jié)對制動器流體控制方程進行了詳細闡述。

3 多盤干式制動器多物理場耦合模型建模技術..................... 15

3.1 多盤干式制動器結構、運動原理和生熱分析.......... 15
3.2 多盤干式制動器耦合系統(tǒng)建模技術............ 16 
3.3 本章小結.................... 18
4 多盤干式制動器多物理場耦合分析............ 19
4.1 多盤干式制動器耦合系統(tǒng)有限元網格劃分................ 19
4.2 制動器各部件材料的種類及物性........ 20
4.3 耦合系統(tǒng)計算域邊界條件的確定.......... 20 
4.4 多盤干式制動器熱-固-流耦合仿真分析 ........... 24 
5 多盤干式制動器測溫實驗研究................... 33
5.1 確定多盤干式制動器測溫方案.................. 33 
5.2 盤式制動器測溫實驗系統(tǒng)............... 38
5.3 測溫實驗工況參數(shù).................... 39
5.4 實驗結果與討論..................... 39
5.5 本章小結............................. 41

6 制動器仿真溫度數(shù)據(jù)與實驗溫度數(shù)據(jù)研究分析

6.1 相關系數(shù)法原理

仿真模型的確認是國際上仿真領域公認的難題，目前常用的方法有 Theil 不一致系數(shù)法、平穩(wěn)序列的時域分析法、誤差分析法和相關系數(shù)法等。鑒于本課題數(shù)據(jù)量較少，屬于小樣本容量研究領域，經綜合考慮，采用相關系數(shù)法和誤差分析法進行仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的一致性研究。研究流程如圖 6.1 所示。

6.2 仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的前處理

任選取一種工況（工況 3）為示例，進行溫度場的數(shù)據(jù)一致性研究。（1）仿真數(shù)據(jù)修正因為仿真處于完全理想狀態(tài)下，每次仿真初始溫度都是一致的，而由于外界環(huán)境時刻變化以及上一組實驗的余溫等情況，實際實驗初始溫度是不固定的，因此要對仿真數(shù)據(jù)結果進行修正。根據(jù)熱量計算公式 6.3 可知，熱量和溫度的變化值成正比關系。因此采用仿真數(shù)據(jù)加上仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)溫度差（見表 6.1）的方式對仿真數(shù)據(jù)進行修正。結果見表 6.2 所示。

.....

7 結論

本課題針對某型號工程車輛制動器溫度場進行了研究，首先采用了有限元分析的方法進行仿真分析，從零件模型制作，到裝配成型，再到有限元分析軟件中進行溫度場分析，實現(xiàn)了制動器的 CAE 研究，通過整機的溫度場仿真分析，得到了整個制動器的溫度場分布規(guī)律和標記點的瞬時溫度變化曲線；然后在溫度場仿真分析基礎上，進行了制動器實物測溫實驗，得出了標記點的溫度分布數(shù)據(jù)；最后，在邊界修正和均值取值的基礎上，進行了誤差分析和相關系數(shù)研究，誤差在 10%以內，超 80%的數(shù)據(jù)相關性良好，從而驗證了耦合模型的可靠性，可以用來預測該型號制動器其他工況的溫度場分布。具體各項工作內容的結論如下：（1）測繪制動器各個零部件，在 Pro/E 中建立模型；在分析制動器結構和運動原理的基礎上，完成了制動器的裝配工作，最終獲得了該型號制動器三維建模的關鍵技術；（2）在有限元分析軟件中，以真實的工作狀態(tài)參數(shù)進行溫度場仿真分析。通過三種工況研究，整個制動器的溫度場的分布情況和標記點的瞬時溫度變化曲線。最高溫度處于摩擦位置，最低溫度處于離摩擦位置比較遠的旋轉盤和彈簧上蓋位置，隔熱板確實起到了隔熱作用，這與實際情況是一致的。

........

參考文獻（略）

本文編號：98643