制动盘的热分析

制动盘的热分析摘要制动是一个把车辆的动能转变成机械能并必将以热的形式耗散的过程。

制动时，在制动盘和衬垫间产生的摩擦热可导致过高的温度。

更重要的是在接触过程中切向压力和相对滑动速度是很重要的。

本次主要通过ANSYS分析了制动盘的全热行为。

盘式制动器的温度分布的建模是用来确认在制动操作时所涉及到的所有的因数和输入参数，例如制动类型，制动盘的几何设计和常用的材料。

通过仿真所得到的结果是比较满意的。

关键词：干接触，制动盘，热流，传热系数1．简介在制动系统的研究中，热分析还处在一种原始阶段。

在制动阶段，温度和热梯度很高，这会产生压力和变形，这种影响会在外观和裂缝的加重上显示出来[1,2]。

然后很重要的是在盘式制动器中精确地确定温度场。

停车制动时，温度没有时间来被稳定在制动盘。

一个瞬态分析是必要的。

这对鉴定热梯度也是必不可少的，这就是需要三维建模的问题了。

热负荷表现在热通量进入制动盘通过刹车衬垫。

在制动盘和衬垫的接触面产生的大量的热量毫无疑问的引起了在域内对转子的不均匀的温度分布，然而衬垫的的环境在相互的滑动中被不断的加热[3].这种在盘式制动器的接触表面确定温度分布的瞬态热分析方法被执行了。

这种制动盘和固定衬垫相互滑动所产生的摩擦热效应分布不均匀的问题使用有限元力学模型试验有几种可能发生在汽车的应用传热系数上。

对在制动盘循环制动时的温度分布能够有一个比较，在制动过程中每一种情况分析下的能量转化在最后释放时的周期是相等的。

程序的改变是用来发展移动热源，就像热流对流冷却的分界线。

在转子旋转时准确模拟它的加热的困难通过使用代码而被忽略，这可以保证使成型的曲线负责让热通量在随后的某个时刻进入制动盘[4]。

在本次研究中，我们将会在三维空间呈现出一个数值模拟来分析全热行为和通风的盘式刹车。

基于有限元计算方法的热量的计算将利用软件ANSYS 11。

2.热量进入制动盘ei n ga re go od 图1.钳盘式衬垫的装配和力的应用符号名称T 温度，K车辆减速度，m/s 2{T}节点温度，K 矩阵∙加权函数dnaemT （[C]+[K] -=0 (12){}*T {}T ∙{}T {}F 这里[C] [N]T [N]d V（13）p C vρ⎰[K]= [λ] [B]d V +[N]T [N]d S(14)[]TB v⎰S h ϕ⎰=qd V +(S φ+hT f + εσ (-T 4))d S(15){}F []TN v⎰[]TS N ϕ⎰4T ∞[C]：热容量矩阵（J/K ），[K]：导热系数矩阵（W/K ），：节点热量矢{}F 量(W)，：节点温度矢量（K ）。

{}T 3.2.初始条件我们假设制动盘的初始温度是不变的。

在时间 t = 0 时 T(x,y,z,t) = 60℃ (16)3.3.边界条件这是一个瞬态的边界热问题：●一个热通量进入制动盘局限在两边的钳盘式衬垫的接触带。

●在制动盘的自由表面的对流热传递的交流系数h 取决于时间，因为圆盘的旋转速度随时间的变化而变化。

每个制动盘表面的的换热系数h 是利用有限元分析软件ANSYS CFX 模块来进行计算和输入的。

4.计算机软件ANSYS 的简介ANSYS 软件程序由美国在1970年所创造；它的模块程序是利用有限元方法来解决模型的预先离散。

它用于本次研究的模块是：● ANSYS 工作台：这个平台提供了一个不同的用于原始的计算机代码ANSYS 的构造模型的方法[12]。

它特别适用于处理那些复杂的几何体和没有认可的使用者的情况。

在这种环境下，使用者是在几何体上工作而不是模型。

在开始解决方案之前，使用者可以通过这个平台将这些数据转化并引入进软件ANSYS 。

生成l l t h i ng si nt he i rb ei n ga re g的有限元模型通过插入特定的ANSYS 命令代码来处理。

● 有限元分析软件ICEM CFD ：这是网络生成的软件，应用在流体力学和机械结构。

● 有限元分析软件CFX ：本软件是设计用来执行流体力学的模拟仿真的。

● 有限元分析软件Metaphysics ：本产品含有ANSYS 仿真代码的所有模块。

图3显示了在工作台上用有限元分析软件CFX 模拟的阶段。

图3 软件CFX 的仿真步骤[12]5.对流交换系数(h)的确定5.1.简介热分析系统需要对由摩擦所产生的热量有一个精确的测定和这些能量在制动盘和刹车衬套之间的分布。

紧急刹车时，所有的在接触面产生的热量和被制动盘和刹车衬套吸收的热量相等。

当一辆汽车在刹了车，一部分的摩擦热通过对流和放射而逸散到了周围的空气中。

因此，传热系数的确定是非常必要的。

然而它们的计算是相当困难的，因为这些系数是由地点、制动系统的构造、车辆的速度和空气流通的结果所决定的。

由于热量的放射的过程不是太重要，我们将决定使用软件ANSYS CFX ，但是只对制动盘的对流系数。

这个系数将用来确定制动盘温度的三维分布。

dAl l t h i ng si nt he i rb e5.2.ANSYS CFX 建模第一阶段是在ANSYS 工作台上建立含有研究领域的模型CFD 。

我们认为我们只用了制动盘的四分之一，然后我们定义空气场围绕着制动盘。

有限元分析软件ANSYS ICEM CFD 将使各种表面与这两个域场适合为了促进啮合当中一个将会通过命令“对cfx 的输出量”将结果输送向软件CFX 。

在得到软件CFX Pre的模型和规定的边界条件后，我们必须明确这些物理价值在软件CFX 中开始起作用来开始计算。

制动盘与四个绝热表面和流体域上的两个对称表面有关，它的环境温度等同于20℃[13]。

一个不稳定状态的分析是必要的。

图4显示了软件CFD 的详尽的模型，这个模型将被用在有限元分析软件ANSYS CFX Pre 中。

图4 制动盘在CFD 中的模型a ）物理模型：在这一步中，说明了所有的流体和固体的物理特性。

网格划分后，明确所有的不同的模型的参数能够开始分析。

b ）领域的定义：最开始，一个有效的详尽的模型和一个在计算热传递热量的活化的选项。

流体域：速度输入：V ent non st = V ent -V a t ；制动盘域：流量输入：FLUX non st =(CF) (V ent non st ) CF=149,893.838V ent non st = V ent -V a tFLOW non.st：非平稳的流量进入。

V entnon.st：非平稳的速度进入的空气。

c）材料的定义：我们引入图书馆的所用的材料的物理特性。

在本研究中，我们选择三种铸铁材料（25号灰铸铁铝、20号灰铸铁和15号灰铸铁）。

d）边界条件的定义：第一步是要选择进口和出口的表面热流密度。

这些选项在软件CFX Pre的插入菜单的“边界条件”里。

边界条件涉及的衬垫也在那里。

选择选项“墙”和“对称”，因为将会有可能在边界条件下调整一定数量的参数例如进入制动盘的流量。

e）接口领域的应用：接口区域通常用来创建连接或连接区。

位于相互作用区域的表面记为固—液的界面。

f）临时条件：由于这次研究是为了确定在制动时普通车辆的制动盘中的温度场，我们采用下面的临时条件：—制动时间=3.5[s]—增加指定时间=0.01[s]—初始时间=0[s]在开始用软件ANSYS CFX计算和分析之前，要确保模型没有任何的错误。

g）开始计算：在确认模型和边界条件之后，我们通过打开“文件”菜单并且点击“写求解文件”运行计算。

h）系数h计算的结果：图5和6显示了瞬态下一个完整的且通风的铸铁制动盘的不同表面的各自的传热系数h的变化。

我们发现在一小段时间后所有的传热系数的曲线都随着时间而下降。

e an dAl l t h i ng si nt he i rb ei n ga re go od fo rs o 图5 在瞬态情况下完整的制动盘各个表面的传热系数（h ）的变化（15号灰铸铁）图6.在瞬态情况下钳盘式制动盘各个表面的传热系数（h ）的变化（15号灰铸铁）6.制动盘温度的测定制动盘温度的建模是通过一辆中等轿车的驻车制动来实施的（制动类型是0）车辆和盘式制动器的特点列在表1中。

车辆的速度随时间直线降低，直到数值为0，就像图7显示的一样。

热量在仿真时间里的变化呈现在图8中。

e an dAl l t h i ng si nt he i rb ei n ga re go od fo rs o m 图7 制动中车速随时间的变化图8 热量随时间的变化6.1.制动盘的网格划分用于完整的通风制动盘的网格的元素是10个节点（等参数）的四面的三维元素（图9和10）。

在这个仿真中，在（制动盘—衬垫）接触区的网格是精确的。

这是很重要的，因为在这一区域温度显著不同。

n dAl l t h i ng si nt he i rb ei n ga re go od fo rs o 图9 在ANSYS Multiphysics 中完整的制动盘的网格（172103节点—114421元素）图10 在ANSYS Multiphysics 中通风制动盘的网格（154679节点—94117元素）已经测试了三个网格，自动的使用的一种选项在有限元分析软件ANSYS Workbench Multiphysics 中称为收敛。

形成每个网格的若干元素在表2中给出。

表格2 两种考虑过的网格的若干元素an dAl l t h i ng si nt he i rb ei n ga re go od fo rs o 6.2.载荷和边界条件热载荷的特征是热量通过真正的接触区域（制动盘的两边）进入制动盘。

最初边界条件被引入模块ANSYS 工作台，热量的计算通过选择瞬态的情形和引入物理特性的材料来实施。

选定的数据所应用的数值概况如下：● 仿真总时间= 45[s]● 增量的初始时间= 0.25[s]● 增量最小初始时间= 0.125[s]● 增量最大初始时间= 0.25[s]● 制动盘初始温度= 60[℃]● 材料：三种铸铁（灰铸铁25铝，灰铸铁20，灰铸铁15）7．结果与讨论建模过程中，考虑到例如制动的类型、制动盘冷却的方式和制动盘材料的选择的一定的参数的变化，盘式制动器的温度将被带出。

制动盘是由高的含碳量的铸铁做成的；制动盘的接触表面接收到的进入的热流量是通过关系（1）来计算的。

7.1. 制动盘结构的影响图11显示了对全盘式和钳盘式制动器在整个制动的仿真时间中温度相对于时间的变化。

最高的达到了制动盘和衬垫的接触的表面。

温度的剧烈上升是由于制动阶段的短暂和速度物理现象。

对这两种类型的制动盘，一个是在一开始温度曲线达到最大值时以指数形式下降然后在制动的一定时间后下降很快。

我们很快的注意到由15号灰铸铁制造的钳盘式制动器，它的温度一直上升到1.85s 时的345.44℃，然后一段时间后迅速下降。