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汽车盘式制动器热—结构耦合仿真分析及其寿命研究

作　者: 吴婧斯
导　师: 万里翔
学　校: 西南交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 盘式制动器热—结构耦合温度场应力场热疲劳寿命
分类号: U463.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着高速公路的迅猛发展和汽车保有量的日益增多,交通事故也不断增多。制动系统是汽车的一个重要组成部分,它直接影响汽车的安全性。而盘式制动器制动过程是一个典型的热—结构耦合过程,会对制动器的振动、噪声、热疲劳产生重要影响,是汽车制动器设计的重要开发内容,盘式制动器的热—结构耦合特性目前受到广泛关注。本文评述了盘式制动器温度场及应力场的研究现状,对盘片摩擦界面间的传热规律进行了研究。以某轿车的前轮盘式制动器为例,按照制动盘与摩擦片的实际尺寸将两者统一地看做一个计算模型,充分考虑了盘片间的滑动摩擦温度场及应力场的耦合问题,建立了三维瞬态温度场/应力场的有限元模型,利用非线性有限元软件ABAQUS模拟了盘式制动器的制动过程。在仿真计算过程中,考虑了制动过程中的对流换热边界条件以及制动盘动力参数的变化等因素,着重研究了紧急制动工况下由于移动面热源的冲击作用所导致的制动盘表面温度及热应力间歇性变化的问题,以及温度场与热应场相互问的耦合特性。对于制动盘而言,其温度场及应力场并不呈二维轴对称分布而是具有明显的局部特征。在轴向和径向上存在较大的温度梯度,引起明显的不均匀热膨胀而导致很大的热应力,而热应力又将直接影响接触压力从而反过来影响温度场分布。本文通过在摩擦生热的理论基础上对紧急制动工况下盘式制动器三维瞬态有限元模型的仿真计算,研究了制动盘温度场及应力场的分布规律,同时在比较了不同计算模型(摩擦生热模型及热流密度模型)求解制动器热—结构耦合过程的优劣差异后,又采用热流法对重复制动工况下盘式制动器的温度场及应力场进行了模拟仿真,探讨了制动盘产生径向裂纹的原因以及可能产生的热疲劳破坏。最后在紧急制动工况及重复制动工况下盘式制动器温度场及应力场仿真结果的基础上,采用Manson-Coffin公式预测了制动盘的热疲劳寿命,并对影响制动盘寿命的因素进行了分析研究。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-18
  1.1 课题的研究背景及意义  11-12
    1.1.1 汽车盘式制动器简介  11-12
    1.1.2 盘式制动器的热—结构耦合现象  12
    1.1.3 问题的提出  12
  1.2 国内外研究现状  12-16
    1.2.1 总体状况  12-14
    1.2.2 研究方法  14-15
    1.2.3 热疲劳失效研究  15-16
    1.2.4 存在的问题与不足  16
  1.3 本文的研究内容  16-18
第2章摩擦热动力学的理论基础及数学描述  18-29
  2.1 摩擦生热理论  18-20
    2.1.1 摩擦模型  18-19
    2.1.2 摩擦界面间的传热规律  19
    2.1.3 摩擦热源  19-20
  2.2 接触理论  20-21
  2.3 热传导理论  21-23
    2.3.1 制动器瞬态温度场热传导方程的建立  21-22
    2.3.2 热边界条件  22
    2.3.3 三维瞬态温度场传导方程  22-23
  2.4 瞬态热—结构直接耦合求解方法  23-28
    2.4.1 瞬态热分析有限元方法  24
    2.4.2 热—结构耦合分析的有限元方法  24-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章盘式制动器热—结构耦合有限元模型的建立  29-38
  3.1 制动系统物理模型的建立  29-30
    3.1.1 三维模型的建立  29
    3.1.2 三维模型的简化  29-30
  3.2 制动系统有限元模型的建立  30-37
    3.2.1 基本假设  30
    3.2.2 材料的物理特性  30-31
    3.2.3 热流输入模型  31
    3.2.4 应力的产生机理及计算  31-32
    3.2.5 网格划分  32-33
    3.2.6 有关计算数据及边界条件的确定  33-37
  3.3 本章小结  37-38
第4章盘式制动器热—结构耦合仿真分析  38-62
  4.1 紧急制动工况下制动盘的温度场分布  38-42
    4.1.1 制动盘表面径向温度分布  39-40
    4.1.2 制动盘轴向温度分布  40-41
    4.1.3 制动盘表面周向温度分布  41-42
  4.2 紧急制动工况下制动盘的应力场分布  42-49
    4.2.1 不考虑摩擦生热时制动盘的机械应力场分布  42
    4.2.2 考虑摩擦生热时的制动盘热—结构耦合等效应力分布  42-46
    4.2.3 紧急制动工况下制动盘的三向应力场分布  46-49
  4.3 人工输入热流密度法计算模型对比分析  49-54
    4.3.1 相关边界条件的确定  49-50
    4.3.2 热流法得到的制动盘温度场分布  50-52
    4.3.3 热流法得到的制动盘应力场分布  52-54
    4.3.4 摩擦法与热流法的对比结果  54
  4.4 重复制动工况下盘式制动器热—结构耦合仿真分析  54-60
    4.4.1 重复制动工况的定义及相关边界条件的确定  54-56
    4.4.2 重复制动工况下制动盘的温度场分布  56-58
    4.4.3 重复制动工况下制动盘的应力场分布  58-60
  4.5 本章小结  60-62
第5章制动盘的寿命研究  62-70
  5.1 制动盘的失效方式以及危险部位的确定  62-65
  5.2 制动盘热疲劳寿命预测模型  65-66
  5.3 制动盘使用寿命的预测  66-67
  5.4 制动盘使用寿命的影响因素  67-69
    5.4.1 制动初速度对制动盘使用寿命的影响  67-68
    5.4.2 制动比压对制动盘使用寿命的影响  68-69
  5.6 本章小结  69-70
结论和展望  70-72
  1. 本文主要结论  70-71
  2. 研究中存在的不足及研究展望  71-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
攻读硕士期间发表的论文  77

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