典型制动条件下货车车轮温度场和热应力场的有限元仿真
车辆前制动盘三维温度场模拟研究
车辆前制动盘三维温度场模拟研究肖启瑞【摘要】为得到车辆制动盘的温度场分布,通过建立制动盘的三维温度场分布数学模型,分别计算1次常用制动、3次常用制动2种工况下制动盘的温度变化情况,考虑比热容、导热系数等参数随温度变化的影响,利用ANSYS模拟制动盘的制动过程.仿真结果表明:车辆在时速为90km/h下进行1次常用制动,制动12.5 s后制动盘的最高温度达到145℃,3次常用制动制动62.5 s后最高温度达到340℃;制动初期盘面温度升高非常快,达到峰值后,制动盘逐渐经换热对流等方式散热,温度缓慢下降;相对1次常用制动,3次常用制动的温度明显升高;增大比热容和导热系数大可有效改善制动盘的温升.【期刊名称】《西华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(033)004【总页数】4页(P91-93,108)【关键词】制动盘;温度场;有限元【作者】肖启瑞【作者单位】广东机电职业技术学院,广东广州510515【正文语种】中文【中图分类】U463.5车辆前轮使用盘式制动器可以有效提高制动散热性能，降低制动器温升。
现有制动盘温度场计算方面的研究越来越多。
在以往的制动盘温度场研究中，通常将制动盘简化成二维模型，而且把材料导热系数、比热容参数作为常数考虑，这样计算的结果对制动盘温度场的描述误差有时较大。
对开有散热槽的制动盘体的复杂结构，如散热筋板对制动盘散热的影响、热量在制动盘内部的瞬态传导情况、整个制动盘结构热变形等，在二维简单模型上都无法体现。
本文在合理考虑各种相关参数的基础上，建立了车辆前制动盘的三维对称有限元模型，使用ANSYS软件进行了温度场的模拟计算。
1 制动盘瞬态热力学模型1.1 热流密度的推导忽略制动过程中的空气阻力和滚动阻力，近似认为汽车动能全部转化为制动副的摩擦热能，制动过程中的动力消耗为(1)式中：m为汽车的质量；v0为汽车的初速度。
设前轴两制动器吸收汽车总动能的比例为β，由热流密度的概念，式(1)对时间求导，再除以摩擦副接触面积S，即得到热流密度关于时间的函数式若以恒减速度a制动，则有车速v=v0-at因此事实上，如果以一个车轮为研究对象，从制动副摩擦生热的角度也可推导热流密度。
提速客车制动盘热应力有限元分析
提速客车制动盘热应力有限元分析
新一代汽车设计中，制动系统已成为车辆安全性能分析的关键环节。
提速客车作为一种重要的公共交通工具，其设计要求更加严格。
为了确保车辆操纵的质量，它的制动系统的可靠性和可用性，必须从制动盘的热应力有限元分析开始。
有限元分析是一种基于数学模拟的技术，它可以定性和定量地分析复杂物体的热应力状态。
为了分析提速客车制动盘的热应力特性，本文应用有限元分析方法提出了汽车制动盘热应力分析模型，并由实验测试验证了模型的有效性。
首先，本文采用VISGAANSYS件建立了对应于提速客车制动盘的
精确的热应力三维有限元模型。
在此基础上，结合汽车制动盘负载特性，计算模型中各结构单元的热负荷分布情况，讨论其热应力变形的变化特征，揭示汽车制动盘的热固性变形特性。
接着，在采用VISGA基础上，采用实验测试对模型进行了校验。
实验过程中，首先采用施加荷载水平，测量制动盘温度和网格变形，其中网格点温度大于规定值时即可表明提速客车制动盘受热负荷，温度和热变形曲线同时可以清晰表现制动盘温度能量控制的特性。
本文提出的汽车制动盘热应力分析模型，通过有限元分析的方法，对比实验测量的结果，可以准确地表示制动盘的热应力特性，证实模型的可靠性和高效性。
本文发现，随着荷载测试的增加，提速客车制动盘热应力变形很快，热弹性也比较小，因此应加强提速客车制动盘的热管理，以确保汽车的安全操纵。
总而言之，本文研究了提速客车制动盘热应力有限元分析的方法，探讨了制动盘热变形的变化特性，发现热管理的重要性，为保证汽车的安全操纵提供了重要的实验依据。
刹车盘-热耦合仿真分析
概况利用Workbench仿真平台对某汽车用刹车盘进行热结构耦合计算。
分别计算刹车盘在紧急制动，b=6.2 m/s²的紧急制动下刹车盘的温度分布，和连续两次紧急制动下刹车盘的温度分布，并进行热结构耦合，分析刹车盘的热应力分布情况。
模型介绍刹车盘几何模型如图1所示，由制动盘和铸铁底盘组成。
有限元网格模型见图2图1 刹车盘几何模型图2 有限元网格模型网格总数为109386，节点总数为87240。
材料属性分别如下，密度为7850Kg/m^3表1 制动盘材料属性温度（℃）25 200 400 600 800 弹性模量（GPa）200 181 164 140 107 泊松比0.28 0.28 0.28 0.28 0.28温度（℃）20 300 400 500 600 比热容（J/g·℃）0.419 0.581 0.622 0.663 0.718 比热容（J/Kg·℃）419 581 622 663 718导热系数（W/m·℃）48.58 46.06 41.87 37.68 34.21 31.89温度（℃）0 200 400 600 800 热膨胀系数（10-6/℃）11 11.4 14 14.7 15载荷边界条件在瞬态热分析中边界条件见图3、4，图3 对流换热系数加载示意对流换热系数按照如下所示方法进行计算：热流密度的加载示意如图4，刹车盘两面均加载热流密度。
图4、热流密度加载示意热流密度按照如下所示方法进行计算：计算结果工况一，一次紧急制动计算结果。
制动速度为120Km/h，制动加速度为6.2 m/s²，制动时间为5.38s，载荷示意图见图5。
计算参数如上。
图5 对流换热系数曲线图(W/M^2*°c)图6 热流密度曲线图（W/m^2）图7 刹车过程中的最高温度变化曲线图8 最大时刻的温度分布云图由上述计算结果可知，最终刹车盘上的最高温度为126.56°，刹车过程中刹车盘的最高温度在2.9s时达到了152.25°。
瞬态热应力仿真案例
瞬态热应力仿真案例
瞬态热应力仿真是利用计算机模拟技术，对物体在瞬时受到热冲
击时的应力分布与变化进行分析和预测的过程。
下面以高速列车轮对
的瞬态热应力仿真为例进行说明。
高速列车在行驶时经常会受到高速风的侵袭，产生大量的摩擦热，其中涉及到的一个重要部件就是车轮。
由于列车在行驶过程中速度很快，车轮轮辋又是一种长期处于高温状态下的部件，因此，车轮会经
常遭受到热应力的影响。
为了更好地了解车轮轮辋在高温下的瞬态热应力分布以及变化规律，工程师们使用了计算机仿真技术对轮辋的热应力进行了模拟分析。
在仿真过程中，工程师们首先建立了一个车轮轮辋的三维模型，
并设置了一定的运动条件和热边界条件。
然后，通过计算机软件对轮
辋在高温状态下的应力分布进行了模拟，并得出了轮辋在不同时间节
点下的热应力变化曲线。
通过对仿真结果的反复观察和分析，工程师们不断优化了车轮轮
辋的设计方案，从而避免了车轮因热应力过大而发生破裂等严重问题
的发生。
此外，工程师们还通过仿真技术，掌握了车轮轮辋在各种复
杂条件下的应变和应力变化规律，为车轮的后续设计和改进提供了重
要的理论依据。
总之，通过瞬态热应力仿真技术，工程师们可以更加准确地了解
物体在受热冲击时的应力变化情况，从而加强对其设计和制造过程的
控制，保证其性能和质量的稳定和可靠。
基于ANSYS汽车盘式制动器温度场和热应力数值模拟
基于ANSYS汽车盘式制动器温度场和热应力数值模拟刘莹;胡育勇;任奇锋;曹霜霜;宋涛【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》【年(卷),期】2013(035)003【摘要】基于ANSYS建立了某汽车盘式制动器三维实体模型,分析了不同制动工况下盘式制动器的温度场和热应力,还分析了离心力与压应力和摩擦切应力分别作用下的应力分布.结果表明:热应力远大于其他应力的作用,这在分析盘式制动器失效时起着主导作用.运用循环迭代法进行温度场模拟,分析显示摩擦区温度是震荡上升、存在明显的尾迹且其显著大于非摩擦区温度.采用间接耦合法将温度场结果作为应力场载荷分析的热应力,结果显示:热应力呈现交变应力状态且幅值较大,摩擦区周向应力明显大于径向应力,制动盘凸台连接处应力很大.【总页数】6页(P276-280,290)【作者】刘莹;胡育勇;任奇锋;曹霜霜;宋涛【作者单位】南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031【正文语种】中文【中图分类】U463.512【相关文献】1.基于ANSYS的冰箱(柜)门体温度场及热应力分析 [J], 郜澄洋;张艳玲;金鑫2.基于ANSYS的磁光玻璃液铂金漏管的温度场与热应力分析 [J], 董继先;李忠利;郭宏伟;殷海荣;李启甲;刘新年3.基于ANSYS软件的高温架空管道温度场数值模拟 [J], 邓志强;施雯;王琪;谢海彬;高思强4.基于ANSYS的X80管线钢MIG焊温度场数值模拟 [J], 侯阳;周建平;许波;李雪芝;王恪典5.基于ANSYS的厨余垃圾桶保温箱温度场数值模拟 [J], 倪洲;陆付港;徐伟;成江因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
汽车鼓式制动器瞬态温度--应力场三维仿真与模拟
汽车鼓式制动器瞬态温度--应力场三维仿真与模拟
石秀勇;胡云萍;郑媛媛;倪计民
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2013(000)012
【摘要】采用有限元软件ANSYS建立某车辆后轮鼓式制动器装配数值模型，并进行温度场和应力场的三维仿真与模拟。
5次连续制动工况下制动鼓的温度场和应力场分布显示，5次循环最高温度为289℃，第1次循环最大应力为131 MPa。
研究结果和试验结果吻合，证明仿真模型和条件设置准确、合理。
【总页数】5页(P32-36)
【作者】石秀勇;胡云萍;郑媛媛;倪计民
【作者单位】同济大学;聊城大学;山东交通学院;同济大学
【正文语种】中文
【中图分类】U463.51+1
【相关文献】
1.鼓式制动器循环制动瞬态温度场仿真 [J], 纪飞龙;马迅;杨啟梁
2.城际快速列车铸钢制动盘三维瞬态温度场和应力场仿真分析 [J], 周素霞;孙晨龙;赵兴晗;秦震;赵方
3.机车制动盘三维瞬态温度场与应力场仿真 [J], 杨莺;王刚
4.蹄鼓式制动器瞬态温度场的仿真分析 [J], 马迅;朱前进
5.燃机涡轮盘三维瞬态温度及应力场计算分析 [J], 李朝阳;张艳春
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基于Marc的轮轨温度场仿真分析
基于Marc的轮轨温度场仿真分析王栋1，刘亮亮2，石莹3（1.大连华锐重工集团股份有限公司，辽宁大连116013；2.山推工程机械股份有限公司，山东济宁272073；3.大连交通大学，辽宁大连116000）0引言随着列车速度的不断提高，人们对于它的安全性、平稳性及舒适性也有了更高的要求。
铁路的发展不仅仅体现在速度上，承载能力也是另一种发展形势。
在发展过程中，由于速度和承载能力的提高，列车的轮轨经常发生破坏，在列车轮轨的破坏形式中，热损伤时常发生，这是由于在一定时间内，列车的制动力和牵引力高于许用值[1]。
轨道和车轮之间产生的摩擦热不仅会对轮轨造成多种形式的损坏，所产生的噪声污染还对列车的舒适性及人类的生活产生很大影响[2]。
国内外的学者对轮轨研究过程中，列车的车轮和轨道的接触问题是其中的要点，当列车运行时，车轮和轨道之间的接触状态不断发生着变化，并且轮轨的传动方式本身就是比较复杂的动力学变化，所以在对轮轨材料的摩擦学性能进行研究时，需要对多种工况下的轮轨接触状态进行研究才能使研究结果更加精准[3]。
近些年来，数值仿真技术快速发展，为许多非线性问题的研究提供了便利。
本文从实验研究和数值仿真分析两部分入手，分析载荷、速度和摩擦因数对于轮轨温度场的影响。
对比仿真值和实验值，验证有限元仿真分析方法解决复杂非线性摩擦学问题的可行性。
1轮轨摩擦磨损实验1.1试验过程轮轨摩擦磨损实验使用MRH-5A高速环块磨损试验机进行实验，因为轮轨摩擦试验存在较大的难度，所以根据轮轨的材料，使用环-块摩擦的方式进行摩擦磨损试验来代替车轮与轨道摩擦副的运动方式。
在试验中试件块和试件环接触，保证块不动而环相对试验块做圆周运动，利用传感器对环-块接触表面之间的温度、载荷大小、摩擦因数及相对滑动速度等参数进行检测，量温度的变化图1所示。
用轨道的常用材料CL65(珠光体组织)。
为了考虑材料的因素，因此环试件采用2种不同的车轮材料，分别为AB1(贝氏体组织)和U75V(珠光体组织)。
重型载货汽车车架结构的有限元仿真及优化
优化方案
优化方案
根据有限元仿真结果，针对重型载货汽车车架结构的薄弱环节和潜在问题， 提出以下优化方案：
优化方案
1、结构改进：对车架结构进行优化设计，减少不必要的焊接部位，增加结构 强度。例如，采用局部加强板或增加加强筋等方式对车架关键部位进行加固。
优化方案
2、材料替换：采用高强度材料替代传统钢材，如铝合金、高强度钢等，以减 轻车架重量，提高抗疲劳性能。
优化方案
3、尺寸调整：通过对车架结构的关键部位进行尺寸调整，优化结构布局，提 高承载能力。例如，调整横梁和纵梁的长度、宽度和高度等参数，以改善车架的 抗弯和抗扭性能。
优化方案
4、增加附件：如加强板、减震器等附件，提高车架的抗载荷能力和减震效果。
优化效果
优化效果
实施上述优化方案后，重型载货汽车车架结构的效果显著。以下是优化效果 的几个方面：
结论
结论
本次演示通过对重型载货汽车车架进行有限元分析，了解了车架的应力、应 变分布情况，并提出了优化建议。这些建议对于提高车架的承载能力和稳定性具 有重要意义。在实践中，可以根据具体需求和条件，综合考虑选择适合的优化措 施。有限元分析作为一种有效的数值模拟方法，可以为重型载货汽车车架的设计 和优化提供重要参考。
1、结构强度提高：通过结构改进和材料替换，车架的强度得到了显著提高， 能够有效应对各种复杂工况下的载荷。
优化效果
2、重量减轻：采用高强度材料和尺寸调整，车架重量得到了显著减轻，从而 提高整车的燃油经济性。
优化效果
3、疲劳性能改善：优化后的车架结构具有更好的抗疲劳性能，减少了车辆在 使用过程中的断裂等现象。
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参考内容
引言
汽车高速盘制动的摩擦温度场及热应力分析
（ Ｊ ． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆＭｅ ｃ ｈ ａ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ａ ， Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ ０ ３ ０ ０ ５ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
也 随 温 度 增加 在 变 小 ， 分 析 结 论 为 新 型 复 合 材 料研 究提 供 理论 依 据 。 关键词 ： 制动盘 ； 温度场； 应力场 ； 有 限元
中图分类号 ： Ｕ ４ ６ ３
文献标志码 ： Ａ
文章编 号： １ ０ ０ ７ — ４ ４ １ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — ０ ０ ７ ２ — ０ ３
ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ｌ ｕｓ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄｅ ｓ ａ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｏ ｆ ｎ ｅ ｗ ｃ ｏ ｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉａ ｒ ｌ ｓ ．
应用与试验
２ ０ １ ３ 年 第６ 期（ 第２ ６ 卷， 总 第１ ２ ８ 期 ）・ 机械 研 究 与应 用 ・
汽 车 高速 盘 制动 的摩 擦 温 度 场 及 热 应 力分 析
韩 宁 ， 赵河明 ，王 维
（ １ ． 中北大学 机电工程学院， 山西 太原 ０ ３ ０ ０ ５ １ ； ２ ． 北方 自动控制技 术研 究所 ， 山西 太原 ０ ３ ０ ０ ０ ６）
快速货车制动盘热应力分析
快速货车制动盘热应力分析张新芳;李芾;孙树磊;李受钊【摘要】制动系统是快速货车的关键技术之一,制动盘是制动系统中承受机械及热负荷的主要部件.通过160km/h快速货车制动计算,确定了紧急制动过程中制动盘的边界条件,并通过ANSYS建立有限元分析模型,得到制动过程中制动盘温度及应力分布.通过分析计算,确定了在160 km/h快速货车上每轴制动盘的数量.【期刊名称】《铁道机车车辆》【年(卷),期】2012(032)001【总页数】4页(P35-38)【关键词】快速货车;有限元法;制动盘;热应力【作者】张新芳;李芾;孙树磊;李受钊【作者单位】西南交通大学机车车辆系,四川成都610031;西南交通大学机车车辆系,四川成都610031;西南交通大学机车车辆系,四川成都610031;西南交通大学机车车辆系,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U272随着世界经济的发展和科技的进步，各国铁路与公路、航空、海运等运输行业之间的竞争愈加激烈。
铁路运输以其运量大、速度快、安全、节能和对环境污染小等优势成为人类重要的交通运输方式。
为了减少客货列车的速度差，且市场也迫切需要铁路提供集装箱、小汽车、冷藏等货物快运的服务，因此铁路货运提速势在必行，但随着速度的提高，制动时热负荷将急剧增加，传统的踏面制动已经不能满足制动要求。
盘形制动具有功率大、摩擦系数稳定及可减小车轮踏面磨耗等特点，故在速度高于140km／h的货车转向架上普遍采用盘形制动。
图1为意大利FIAT快速货车转向架，其最大商业运行速度为140km／h，基础制动装置采用轴盘制动，每轴安装两套盘形制动单元。
关于客车盘形制动热负荷的问题，国内外对其均进行了相关的研究。
如近年来国内吴萌岭［1-2］研究了准高速客车制动盘的温度场及应力场问题，提出摩擦盘圆周方向上的边界条件和约束条件都一致的假设，将三维模型简化为二维轴对称问题处理；王文静等［3-6］在制动盘分析中也进行了轴对称假设，取制动盘的一个对称角作为分析对象，虽然较二维模型的计算方法有一定改进，但未考虑制动阻力，且假定材料的性能不随温度变化。
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net2009年第28卷4月第4期机械科学与技术MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringAprilVol.282009No.4
收稿日期:2008205215
基金项目:铁道部科技发展计划项目(2005J025)资助作者简介:郑红霞(1978-),讲师,博士,研究方向为机械结构的有限元分析、疲劳可靠性分析,hongxiazheng@163.com
郑红霞典型制动条件下货车车轮温度场和热应力场的有限元仿真
郑红霞1,刘玉军1,张全忠1,谢基龙2(1鲁东大学交通学院先进制造与自动化技术重点实验室,烟台 264025;
2北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044
)
摘 要:根据车辆的运行情况,确定车轮的典型制动载荷条件;采用摩擦功率法建立了制动过程的热量输入方法,运用有限元分析软件ANSYS,数值模拟了典型制动工况下温度场的分布。采用双线形随动强化弹塑性模型,通过间接耦合法将温度场的模拟结果作为应力场分析的边界条件,数值模拟了典型制动工况下车轮辐板孔边的热应力场分布规律,并与试验结果相比较,验证了仿真结果的有效性。以上分析结果为车轮疲劳强度评定和疲劳寿命估算提供了载荷条件。关 键 词:货车;车轮;温度场;热应力场;有限元法中图分类号:U26 文献标识码:A 文章编号:100328728(2009)0420500205
FiniteElementSimulationoftheTemperatureFieldandThermalStressFieldofaFreightWheelunderTypicalBrakingConditionsZhengHongxia1,LiuYujun1,ZhangQuanzhong1,XieJilong2(1KeyLaboratoryofAdvancedManufacturingandAutomationTechnology,LudongUniversity,Yantai264025;
2SchoolofMechanicalandElectronicControlEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044)
Abstract:Wefirstdefinedthebrakingparametersofthetypicalbrakingconditionsaccordingtothefreighttrainoperationconditions,derivedthethermalinputduringthebrakingcoursebythemethodoffrictionpowerandsimulatedthetemperaturefieldunderthetypicalbrakingthermalloadconditionswiththefiniteelementsoftwareofANSYS.Then,basedonthetemperaturefieldsimulationresults,wesimulatedthethermalstressunderthreetypi2calbrakingconditionswiththebilinearfollowingstrengtheningelastic2plasticmodelandtheindirectcouplingmeth2od.Finally,wecomparedthesimulationresultwiththetestresulttovalidatethesimulationresult.Comparisonsshowgoodagreementbetweenthesimulationresultandthetestresult,thus,thesimulationresultscanbeusedastheloadconditionsforevaluatingthefatiguestrengthandpredictingthefatiguelife.Keywords:freighttrain;wheel;temperaturefield;thermalstressfield;finiteelementmethod
随着铁路运输提速、重载战略的不断推进,列车运行安全备受关注,对运载工具可靠性的要求越来越高。车轮作为货车的重要行走部件,不仅要承受轮轨之间的垂向载荷、横向载荷以及摩擦力,还要承受踏面制动产生的热负荷[1]。随着列车轴重和速度的提高,车轮的运用条件日趋苛刻,运用过程中出现的车轮故障呈明显上升趋势,已成为影响货车发展的重要因素。目前,840D车轮是我国在役数量最多的货车车轮,约350多万片[2],约占我国货车车轮
总量的73%。近年来,840D车轮在使用过程中大量出现辐板孔裂纹问题,辐板孔裂纹已成为威胁列车安全运行的主要故障之一。据不完全统计[3],有
20%(约70万)左右的在役840D车轮存在长度不等的辐板孔裂纹,检修中发现840D货车车轮辐板孔裂纹起源于车轮辐板内侧辐板孔边棱角,长度多在5mm～40mm之间,并且呈增长趋势。因此,正确评价带辐板孔裂纹车轮的运用安全性和剩余寿命,并寻求途径对带裂纹车轮进行修复以便充分利用车轮的剩余寿命,已成为迫切需要研究的课题。北美相关车轮使用条件的分析结果表明[4]:制动产生的热负荷是© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第4期郑红霞等:典型制动条件下货车车轮温度场和热应力场的有限元仿真车轮辐板高应力的主要原因,由制动热负荷产生的辐板热应力远远大于机械载荷产生的机械应力。要分析带辐板孔裂纹车轮的运用安全性和剩余寿命,应该分析制动条件下车轮辐板孔边的热应力场。本文采用有限元数值模拟技术,仿真研究了典型制动热负荷下21吨轴重货车车轮温度场和热应力场的分布,为进一步评定车轮辐板孔疲劳强度和预测剩余使用寿命提供载荷条件。1 车轮温度场的有限元数值仿真111 有限元模型和材料物理参数的确定考虑到车轮结构和热载荷的对称性,取车轮的1/4结构进行分析。温度场分析采取Solid90热分析单元,热单元每个节点只有节点温度一个自由度,其有限元模型如图1所示。图1 车轮有限元模型温度对结构应力和变形的影响不仅产生热应变和热应力,而且材料的机械性能(如弹性模量、泊松比、屈服强度等)和热物理参数(如比热容、热膨胀系数等)也会随着温度而变化,从而影响结构的温度场和应力场分析。因此,还需要考虑材料物理特性的非线性,即定义随温度变化的材料参数。在车轮温度变化范围内,840D车轮材料CL60钢的性能参数除弹性模量E、比热容C、热膨胀系数α、屈服强度σs外,其他参数变化不大,计算中只考虑温度对这
些性能的影响,这些性能随温度的变化规律[5]如图2所示。由图5可知:辐板材料的弹性模量和屈服强度随温度的升高而降低,比热和线膨胀系数随温度升高而增大。常温下CL60的材料特性参数如下[6]:杨
氏模量E=2105×10
5
MPa;泊松比μ=013;密度ρ=
7800kg/m3;热膨胀系数α=1013×10-6℃-1,比热C=42616J/kg・℃,热传导率k=51W/m・℃,导流系数h=22172W/m2・℃;初始温度T=25℃;屈服强度σs=418MPa。
图2 CL60材料参数随温度的变化规律112 边界条件的确定和施加通常列车有3种制动方式:常用制动、紧急制动和长大坡道制动。参照提速货车车轮热负荷试验研究[7],确定本文计算所采用的典型制动工况参数如表1
所示。
表1 典型制动工况下的制动参数工况轴重(T)初速度v0(km/h)闸瓦压力K(kN)平均摩擦系数μ制动时间t(s)制动瞬时功率P=μkV(kW)
坡道制动21406.20.28740020
常用制动216010.70.2875451.2-0.948
t
紧急制动2110018.340.28756146.21-2.608
t
假设制动过程中,摩擦符合库仑定律,摩擦系数保持不变。制动过程中,一方面闸瓦与踏面之间的摩擦热通过踏面传给车轮,另一方面车轮中的热量通过对流和辐射等方式传给周围的介质。一般来说,制动过程中传给车轮的热量远大于车轮传给周围介质的热量,热辐射和对流引起的热量损失可以忽略,热量主要以热传导方式传播,闸瓦和踏面摩擦面的边界条件以热流边界为主。因此,温度场分析的热载荷为热流密度,作用于闸瓦和车轮踏面的摩擦表面上。在边界条件中,关键是要确定热流密度q(t)。本文采用摩擦功率法计算热流密度,闸瓦在踏面上滑动时,摩擦表面的摩擦功率W
W=ηFv(t)=ηfNv(t)(1)式中:η是热流分配系数;F是滑动摩擦力;f是摩擦系数;N是闸瓦压力;v(t)是车轮和闸瓦的相对滑动
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