◈ 汽车刹车片的热弹性结构有限元分析 |
从有限元分析角度来看，汽车制动过程属多物理场耦合问题，我们必须考虑以下因素：制动过程中位移边界条件和载荷具有不确定性，且摩擦材料具有各向异性，材料参数具有受温度变化的特性。通过有限元分析，可以模拟各种因素的变化，模拟不同的载荷工况和材料对刹车片应力场和温度场的影响，了解刹车片在不同条件下的制动状况，为研究刹车片的不均匀变形、高压力下局部区域的疲劳失效，保障其工作等提供可靠技术参数。
一．建立模型：
1.有限元分析在建模时省去了对计算结果影响不大的刹车片背板上的细节,在外形尺寸和形状上作了近似处理。在与制动器接触刹车片背板受约束的地方也做了一定的简化处理。将刹车片简化为摩擦材料和支撑背板两种实体,不考虑它们之间复杂的连接关系。
2.假设: 1)刹车片摩擦材料接触界面为理想平面; 2)在制动过程中材料常数保持不变,其物理性质、机械及化学性质不受制动工况等条件的影响;3)材料为各向同性材料且材料常数不随温度变化。我们建出以下有限元模型：
图1 刹车片的有限元模型
二．计算两种材料在两种工况下的受力情况：
1. 两种工况：
第一种工况:根据上述分析计算,将正压力N 转化成压强p, 以面力的方式加载到摩擦表面上, p =7163MPa;将原直角坐标系转化为柱坐标系,将摩擦力加载到摩擦表面上。由于摩擦力是刹车片与制动盘接触并相对滑动产生的,通过坐标转换近似将摩擦力环向均布到摩擦表面的131个节点上,以实现摩擦力均匀分布的实际情况,计算得摩擦力Ff = 7058N,作用在每个节点上的摩擦力为Fnode = 7058 /131 = 56N。第二种工况:先进行刹车片温度场的有限元分析,再将温度场分析的结果耦合到机械力场进行力学结构分析。相关研究表明,一般的轿车在较高速度下紧急制动时刹车片表面温度达500～600℃。在此,刹车片摩擦材料表面的温度取600℃, 背板的温度为45℃[ 5, 6 ] 。加载压强p = 7163MPa 与摩擦力Ff =7058N, Fnode = 7058 /131 = 56N,再耦合温度结果。
2.弹性模量参数表：
三．计算结果：
图2 材料1在第一种工况下的位移变形图
图3 材料1在的一种工况下的应力图
图4 材料1在第二种工况下的位移变形图
图5 材料1在第二种工况下的应力图
图6 摩擦材料1在第二种工况下的位移变形图
图7 摩擦材料1在第二种工况下的应力图
四．结果分析：
1)在第一种工况下最大位移发生在刹车片中部；第二种工况下,由于温度场的影响,最大位移是第一种工况的5倍；由于摩擦力的影响,在摩擦材料表面两侧边缘处位移变化情况不对称。 2)两种工况下的应力分布基本相同，但由于摩擦力的关系，应力场并不对称，最大应力在刹车片背板一侧小圆柱与背板连接的内侧。在第二种工况下,由于热应力的影响，整体的应力水平都提高5倍以上。
3)第一种工况下,摩擦材料的材料参数对应力没有影响,但对位移影响较大,位移值的变化倍数基本等于材料参数值的变化倍数。第二种工况下,弹性模量的降低, 显著降低了应力水平, 也改变了位移场的分布。 4)汽车紧急制动过程温度场的变化,对刹车片的应力场和位移场有较大影响。在强烈的制动过程中,由于摩擦使摩擦材料的表面温度比底板背面的高,会产生中间高、两边低的凸起弯曲,影响摩擦材料的表面受力情况,导致较大的磨损和严重的翘曲。
相关文章： |
