一種用于多盤干式制動器多物理場綜合作用下的溫度場仿真分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于多盤干式制動器多物理場綜合作用下的溫度場仿真分析方法，首先從多盤干式制動器的機(jī)構(gòu)及運(yùn)動原理入手，建立了制動器的三維模型。其次根據(jù)流體場和制動器結(jié)構(gòu)之間的互補(bǔ)性，建立了流體毛坯模型，并進(jìn)行修改和刪減，獲得了最終的流體模型。然后計算流體域和固體域邊界條件，進(jìn)行熱流耦合分析，得到了整體制動器的溫度分布規(guī)律。最后開展了熱固耦合分析，獲得了溫度場對制動器結(jié)構(gòu)變形參數(shù)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多盤干式制動器多物理場綜合作用下的溫度場仿真分析，比以往的單獨(dú)溫度場分析更加準(zhǔn)確可靠，采用分區(qū)求解、邊界耦合的方法優(yōu)化了各物理場間的信息流向，使仿真更加簡單、操作方便以及大大縮短了耗時。
【專利說明】
-種用于多盤干式制動器多物理場綜合作用下的溫度場仿真 分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于履帶車輛傳動領(lǐng)域制動器摩擦副溫度仿真分析技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一 種多盤干式制動器的多物理場綜合作用下的溫度場仿真分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高能量密度摩擦傳動系統(tǒng)是高性能傳動的關(guān)鍵，其顯著特征是大功率、高轉(zhuǎn)速，由 于其優(yōu)異的耐磨性和較高的熱容被廣泛應(yīng)用于履帶車輛的傳動領(lǐng)域。
[0003] 工程車多盤干式制動器機(jī)構(gòu)包括彈子加壓機(jī)構(gòu)、摩擦制動機(jī)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)。如圖3 所示，彈子加壓機(jī)構(gòu)是由選轉(zhuǎn)盤1、彈子2和移動盤3組成，摩擦制動機(jī)構(gòu)由上摩擦盤4、對偶 盤5和下摩擦盤6組成，支撐結(jié)構(gòu)有外殼7、彈黃上蓋8和底座9，如圖2所示。
[0004] 目前，制動器多物理場的研究的方法還很不成熟。先前由于軟件功能和計算機(jī)性 能的限制，研究人員都僅限于單個或者兩個物理場的仿真研究或只對單個摩擦盤進(jìn)行了仿 真研究，而忽略了制動器的整體性;制動器作為一個多零件、多運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，其熱傳導(dǎo)、對流 換熱等受多種因素的影響，因此應(yīng)從整個制動器系統(tǒng)分析的層面出發(fā)，建立各個零部件之 間的聯(lián)系，W確保初始條件和邊界條件的準(zhǔn)確性和精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為:是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出了一種針對 多盤干式制動器多物理場綜合作用下的溫度場研究方法，利用該方法可W針對流體域和固 體域設(shè)置單獨(dú)的求解器分區(qū)求解，然后采用邊界禪合的形式，使仿真結(jié)果更合理更精確。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種用于多盤干式制動器多物理場綜合作用下的溫度 場仿真分析方法，如圖1所示，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0007] 步驟一、分析多盤干式制動器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動原理，獲得制動器各部件的幾何 尺寸；
[000引步驟二、根據(jù)步驟一中分析獲得的制動器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)W及其幾何尺寸建立制動器 有限元分析模型；
[0009] 步驟=、根據(jù)制動器和其流體模型之間互補(bǔ)性，建立流體毛巧，然后減去輪穀等， 生成流體模型，如圖3所示;然后與步驟二中的制動器模型裝配成禪合模型；
[0010] 步驟四、采用微分的思路，將摩擦接觸面分割成無數(shù)小塊，采用摩擦力做工轉(zhuǎn)化成 熱量的方法，計算給定工況條件下的摩擦副的產(chǎn)熱量；
[0011] 具體計算原理為:把摩擦塊和制動盤的摩擦接觸面分為許多小塊，每個小塊的面 積記為dA。把摩擦塊對制動盤的法向壓強(qiáng)記為p(t)，則dA面積上發(fā)生的摩擦力為：
[0012] dF=y ? P(t) ? dA
[OOU]貝IJ摩擦力dF在化時間內(nèi)作用的距離為：
[0014] dS=?(t).r ?化
[0015] 假設(shè)dA面積上作用的摩擦力dF在dt時間內(nèi)所做的功全部轉(zhuǎn)化為熱量，則產(chǎn)生熱量 為：
[0016] dQ=dF ? dS=y ? P(t) ? dA ? ? (t) ? r ? dt
[0017] 因此，制動過程中，制動器摩擦盤摩擦層上的熱流密度為：
[001 引 q(r，t)=dQ/(dA ? dt)=y ? P(t) ? ?(t) ? r
[0019] 式中，y滑動摩擦系數(shù)，P(t)摩擦盤壓力，CO (t)審喊盤轉(zhuǎn)速。
[0020] 步驟五、采用熱流分配模型，計算對偶盤與摩擦盤間的熱流分配;具體計算公式及 其摩擦盤和對偶盤的材料參數(shù)如下：
[0021] 假設(shè)摩擦盤W及對偶盤的熱流密度分別為9如,*)，9"(。*)，根據(jù)表1中摩擦元件的材 料屬性，可求得熱流密度的分配系數(shù)Kq，如下：
[0022]
[0023] 式中：Am為對偶盤熱系數(shù)、Cm為對偶盤比熱、Pm為對偶盤密度;An為摩擦盤導(dǎo)熱系 數(shù)、Cn為摩擦盤比熱、Pn為摩擦盤密度。
[0024] 已知；
[0025] q(r,t) =qm(r,t)+qn(r,t)
[0026] W上公式聯(lián)立可得：
[0027]
[002引
[00巧]步驟六、采用ANSYS Workbench中的!"Iiermal、Shucture和Fluent模塊，搭建禪合 信息傳遞平臺，如圖4所示；
[0030] 步驟屯、將步驟S的禪合模型導(dǎo)入Fluent模塊，在化Uent中施加對流換熱系數(shù)和 壁面初始溫度等，在化ermal中施加步驟四和步驟五中計算的邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并 在=個模塊中設(shè)置需要獲得的結(jié)果；
[0031 ] 步驟八、在Workbench主界面上，右鍵點(diǎn)擊化date，開始計算。
[0032] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0033] 相比于傳統(tǒng)的多物理場禪合方式，本發(fā)明針對多物理場綜合作用下的溫度場采用 分區(qū)求解、邊界禪合和單元轉(zhuǎn)換的方式，簡化了操作難度，縮短了仿真時間，使仿真結(jié)果更 加合理，為研究制動器溫度場的分布規(guī)律提出了一套切實(shí)可行的仿真流程。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明中多盤干式制動器結(jié)構(gòu)簡圖；
[0036] 圖3為本發(fā)明中空冷流體模型；
[0037] 圖4為本發(fā)明中禪合信息流向。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 為了清楚說明本方案的技術(shù)特點(diǎn)，下面通過一個具體的實(shí)施方式，并結(jié)合其附圖 對本方案進(jìn)行闡述。
[0039] 步驟一、確定出制動器工作狀態(tài)下的工況條件(主要為載荷與轉(zhuǎn)速）；摩擦盤、對偶 盤和彈子加壓結(jié)構(gòu)的幾何尺寸及彈子加壓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為仿真模型的建立提供必要的參數(shù)支 持。
[0040] 步驟二、在Pro/E中建立制動器各個零件的S維模型，并在組裝模塊中裝配成型， 根據(jù)制動器和其流體模型之間互補(bǔ)性，建立流體毛巧，然后減去輪穀等，生成流體模型，如 圖3所示;然后與步驟二中的制動器模型裝配成禪合模型。
[0041] 步驟=、采用微分的思路，將摩擦接觸面分割成無數(shù)小塊，采用摩擦力做工轉(zhuǎn)化成 熱量的方法，計算給定工況條件下的摩擦副的產(chǎn)熱量；
[0042] 具體計算原理為:把摩擦塊和制動盤的摩擦接觸面分為許多小塊，每個小塊的面 積記為dA。把摩擦塊對制動盤的法向壓強(qiáng)記為p(t)，則dA面積上發(fā)生的摩擦力為：
[004；3] dF=y ? P(t) ? dA
[0044] 則摩擦力dF在化時間內(nèi)作用的距離為：
[0045] dS=?(t)，r.dt
[0046] 假設(shè)dA面積上作用的摩擦力dF在dt時間內(nèi)所做的功全部轉(zhuǎn)化為熱量，則產(chǎn)生熱量 為：
[0047] dQ=dF ? dS=y ? P(t) ? dA ? ? (t) ? r ? dt
[0048] 因此，制動過程中，制動器摩擦盤摩擦層上的熱流密度為：
[0049] q(r,t)=dQ/(dA ? dt)=y ? P(t) ? ?(t) ? r
[(K)加]式中，ii滑動摩擦系數(shù)，P(t)摩擦盤壓力，CO (t)制動盤轉(zhuǎn)速。
[0051] 步驟五、采用熱流分配模型，計算對偶盤與摩擦盤間的熱流分配;具體計算公式及 其摩擦盤和對偶盤的材料參數(shù)如下：
[0052] 表1摩擦元件的材料屬性 [0化3]
[0054]假設(shè)摩擦盤W及對偶盤的熱流密度分別為9如,*)，9"(。*)，根據(jù)表1中摩擦元件的材 料屬性，可求得熱流密度的分配系數(shù)Kq，如下：
[0化5]
[0056] 式中：Am為對偶盤熱系數(shù)、Cm為對偶盤比熱、Pm為對偶盤密度;An為摩擦盤導(dǎo)熱系 數(shù)、Cn為摩擦盤比熱、Pn為摩擦盤密度。
[0057] 已知；
[0化引 q(;r,t) =qm(r,t)+qn(r,t)
[0060]
[0化9] W上公式聯(lián)立可得：
[0061]
[0062] 步驟六、義用ANSYS Workbench中的!"Iiermal ,Shucture和Fluent模塊，搭建禪合 信息傳遞平臺，如圖4所示；
[0063] 步驟屯、將步驟S的禪合模型導(dǎo)入Fluent模塊，在化Uent中施加對流換熱系數(shù)和 壁面初始溫度等，在化ermal中施加步驟四和步驟五中計算的邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并 在=個模塊中設(shè)置需要獲得的結(jié)果；
[0064] 步驟八、在Workbench主界面上，右鍵點(diǎn)擊化date，開始計算。
[0065] 本發(fā)明并不僅限于上述【具體實(shí)施方式】，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍 內(nèi)做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于多盤干式制動器多物理場綜合作用下的溫度場仿真分析方法，其特征在于 實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟一、分析多盤干式制動器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動原理，獲得制動器各部件的幾何尺寸； 步驟二、根據(jù)步驟一中分析獲得的制動器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)以及其幾何尺寸建立制動器有限 元分析模型； 步驟三、根據(jù)制動器和其流體模型之間互補(bǔ)性，建立流體毛坯，然后減去輪轂，生成流 體模型;然后與步驟二中的制動器模型裝配成耦合模型； 步驟四、采用微分的思路，將摩擦接觸面分割成無數(shù)小塊，采用摩擦力做工轉(zhuǎn)化成熱量 的方法，計算給定工況條件下的摩擦副的產(chǎn)熱量； 具體計算原理為:把摩擦塊和制動盤的摩擦接觸面分為許多小塊，每個小塊的面積記 為dA，把摩擦塊對制動盤的法向壓強(qiáng)記為p(t)，則dA面積上發(fā)生的摩擦力為： dF = y · P(t) · dA 則摩擦力dF在dt時間內(nèi)作用的距離為： dS= ω (t) · r · dt 假設(shè)dA面積上作用的摩擦力dF在dt時間內(nèi)所做的功全部轉(zhuǎn)化為熱量，則產(chǎn)生熱量為： dQ = dF · dS = y · P(t) · dA · ω (t) · r · dt 因此，制動過程中，制動器摩擦盤摩擦層上的熱流密度為： q(r,t)=dQ/(dA?dt)=y?P(t) · ω(?) ·γ 式中，μ滑動摩擦系數(shù)，P(t)摩擦盤壓力，ω (t)制動盤轉(zhuǎn)速； 步驟五、采用熱流分配模型，計算對偶盤與摩擦盤間的熱流分配;具體計算公式及其摩 擦盤和對偶盤的材料參數(shù)如下： 假設(shè)摩擦盤以及對偶盤的熱流密度分別為91^^，9^1^，可求得熱流密度的分配系數(shù) Kq，如下：式中：Am為對偶盤熱系數(shù)、Cm為對偶盤比熱、Pm為對偶盤密度;λη為摩擦盤導(dǎo)熱系數(shù)、Cn為 摩擦盤比熱、PnS摩擦盤密度； 已知： Q(r , t ) = qm(r, t)+qn(r, t) 以上公式聯(lián)立可得：步驟六、采用有限元分析軟件(ANSYS Workbench)中的溫度分析模塊(Thermal)、結(jié)構(gòu) 度分析模塊(Structure)和流體分析模塊(Fluent )，搭建親合信息傳遞平臺； 步驟七、將步驟三的親合模型導(dǎo)入流體分析模塊(Fluent )，在FLuent (流體分析模塊） 中施加對流換熱系數(shù)和壁面初始溫度等，在溫度分析模塊(Thermal)中施加步驟四和步驟 五中計算的邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在三個模塊中設(shè)置需要獲得的結(jié)果； 步驟八、在有限元分析軟件(ANSYS Workbench)主界面上，右鍵點(diǎn)擊"更新"（Update)， 開始計算。
【文檔編號】G06F17/50GK105956264SQ201610280435
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】孫國軍, 趙雙元, 孫振龍, 吳向宇, 蘇國營, 王延忠
【申請人】遼寧科技學(xué)院, 北京航空航天大學(xué)