一种用于多盘干式制动器多物理场综合作用下的温度场仿真分析方法

技术领域

本发明属于履带车辆传动领域制动器摩擦副温度仿真分析技术领域，特别涉及一种多盘干式制动器的多物理场综合作用下的温度场仿真分析方法。

背景技术

高能量密度摩擦传动系统是高性能传动的关键，其显著特征是大功率、高转速，由于其优异的耐磨性和较高的热容被广泛应用于履带车辆的传动领域。

工程车多盘干式制动器机构包括弹子加压机构、摩擦制动机构和支撑结构。如图3所示，弹子加压机构是由选转盘1、弹子2和移动盘3组成，摩擦制动机构由上摩擦盘4、对偶盘5和下摩擦盘6组成，支撑结构有外壳7、弹簧上盖8和底座9，如图2所示。

目前，制动器多物理场的研究的方法还很不成熟。先前由于软件功能和计算机性能的限制，研究人员都仅限于单个或者两个物理场的仿真研究或只对单个摩擦盘进行了仿真研究，而忽略了制动器的整体性；制动器作为一个多零件、多运动的机构，其热传导、对流换热等受多种因素的影响，因此应从整个制动器系统分析的层面出发，建立各个零部件之间的联系，以确保初始条件和边界条件的准确性和精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：是为了克服现有技术的上述缺陷，提出了一种针对多盘干式制动器多物理场综合作用下的温度场研究方法，利用该方法可以针对流体域和固体域设置单独的求解器分区求解，然后采用边界耦合的形式，使仿真结果更合理更精确。

本发明采用的技术方案为：一种用于多盘干式制动器多物理场综合作用下的温度场仿真分析方法，如图1所示，其特征在于实现步骤如下：

步骤一、分析多盘干式制动器的机构特点及运动原理，获得制动器各部件的几何尺寸；

步骤二、根据步骤一中分析获得的制动器的机构特点以及其几何尺寸建立制动器有限元分析模型；

步骤三、根据制动器和其流体模型之间互补性，建立流体毛坯，然后减去轮毂等，生成流体模型，如图3所示；然后与步骤二中的制动器模型装配成耦合模型；

步骤四、采用微分的思路，将摩擦接触面分割成无数小块，采用摩擦力做工转化成热量 的方法，计算给定工况条件下的摩擦副的产热量；

具体计算原理为：把摩擦块和制动盘的摩擦接触面分为许多小块，每个小块的面积记为dA。把摩擦块对制动盘的法向压强记为p(t)，则dA面积上发生的摩擦力为：

dF＝μ·P(t)·dA

则摩擦力dF在dt时间内作用的距离为：

dS＝ω(t)·r·dt

假设dA面积上作用的摩擦力dF在dt时间内所做的功全部转化为热量，则产生热量为：

dQ＝dF·dS＝μ·P(t)·dA·ω(t)·r·dt

因此，制动过程中，制动器摩擦盘摩擦层上的热流密度为：

q(r,t)＝dQ/(dA·dt)＝μ·P(t)·ω(t)·r

式中，μ滑动摩擦系数，P(t)摩擦盘压力，ω(t)制动盘转速。

步骤五、采用热流分配模型，计算对偶盘与摩擦盘间的热流分配；具体计算公式及其摩擦盘和对偶盘的材料参数如下：

假设摩擦盘以及对偶盘的热流密度分别为q_n(r，t)，q_m(r，t)，根据表1中摩擦元件的材料属性，可求得热流密度的分配系数K_q，如下：

$K_q=\frac{q_{m(r,t)}}{q_{n(r,t)}}=\left(\frac{{\lambda }_m{C}_m{\rho }_m}{{\lambda }_n{C}_n{\rho }_n}\right)$

式中：λ_m为对偶盘热系数、C_m为对偶盘比热、ρ_m为对偶盘密度；λ_n为摩擦盘导热系数、C_n为摩擦盘比热、ρ_n为摩擦盘密度。

已知：

q(r,t)＝q_m(r,t)+q_n(r,t)

以上公式联立可得：

$q_{n(r,t)}=\frac{q_{(r,t)}}{1+K_q}$

$q_{m(r,t)}=\frac{K_q·q_{(r,t)}}{1+K_q}$

步骤六、采用ANSYS Workbench中的Thermal、Structure和Fluent模块，搭建耦合信息传递平台，如图4所示；

步骤七、将步骤三的耦合模型导入Fluent模块，在FLuent中施加对流换热系数和壁面 初始温度等，在Thermal中施加步骤四和步骤五中计算的边界条件，进行网格划分，并在三个模块中设置需要获得的结果；

步骤八、在Workbench主界面上，右键点击Update，开始计算。

本发明与现有技术相比的优点在于：

相比于传统的多物理场耦合方式，本发明针对多物理场综合作用下的温度场采用分区求解、边界耦合和单元转换的方式，简化了操作难度，缩短了仿真时间，使仿真结果更加合理，为研究制动器温度场的分布规律提出了一套切实可行的仿真流程。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图；

图2为本发明中多盘干式制动器结构简图；

图3为本发明中空冷流体模型；

图4为本发明中耦合信息流向。

具体实施方式

为了清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体的实施方式，并结合其附图对本方案进行阐述。

步骤一、确定出制动器工作状态下的工况条件(主要为载荷与转速)；摩擦盘、对偶盘和弹子加压结构的几何尺寸及弹子加压结构特点，为仿真模型的建立提供必要的参数支持。

步骤二、在Pro/E中建立制动器各个零件的三维模型，并在组装模块中装配成型，根据制动器和其流体模型之间互补性，建立流体毛坯，然后减去轮毂等，生成流体模型，如图3所示；然后与步骤二中的制动器模型装配成耦合模型。

步骤三、采用微分的思路，将摩擦接触面分割成无数小块，采用摩擦力做工转化成热量的方法，计算给定工况条件下的摩擦副的产热量；

具体计算原理为：把摩擦块和制动盘的摩擦接触面分为许多小块，每个小块的面积记为dA。把摩擦块对制动盘的法向压强记为p(t)，则dA面积上发生的摩擦力为：

dF＝μ·P(t)·dA

则摩擦力dF在dt时间内作用的距离为：

dS＝ω(t)·r·dt

假设dA面积上作用的摩擦力dF在dt时间内所做的功全部转化为热量，则产生热量为：

dQ＝dF·dS＝μ·P(t)·dA·ω(t)·r·dt

因此，制动过程中，制动器摩擦盘摩擦层上的热流密度为：

q(r,t)＝dQ/(dA·dt)＝μ·P(t)·ω(t)·r

式中，μ滑动摩擦系数，P(t)摩擦盘压力，ω(t)制动盘转速。

步骤五、采用热流分配模型，计算对偶盘与摩擦盘间的热流分配；具体计算公式及其摩擦盘和对偶盘的材料参数如下：

表1 摩擦元件的材料属性

假设摩擦盘以及对偶盘的热流密度分别为q_n(r，t)，q_m(r，t)，根据表1中摩擦元件的材料属性，可求得热流密度的分配系数K_q，如下：

$K_q=\frac{q_{m(r,t)}}{q_{n(r,t)}}=\left(\frac{{\lambda }_m{C}_m{\rho }_m}{{\lambda }_n{C}_n{\rho }_n}\right)=2.7$

式中：λ_m为对偶盘热系数、C_m为对偶盘比热、ρ_m为对偶盘密度；λ_n为摩擦盘导热系数、C_n为摩擦盘比热、ρ_n为摩擦盘密度。

已知：

q(r,t)＝q_m(r,t)+q_n(r,t)

以上公式联立可得：

$q_{n(r,t)}=\frac{q_{(r,t)}}{1+K_q}=0.27q_{(r,t)}$

$q_{m(r,t)}=\frac{K_q·q_{(r,t)}}{1+K_q}=0.73q_{(r,t)}$

步骤六、采用ANSYS Workbench中的Thermal、Structure和Fluent模块，搭建耦合信息传递平台，如图4所示；

步骤七、将步骤三的耦合模型导入Fluent模块，在FLuent中施加对流换热系数和壁面初始温度等，在Thermal中施加步骤四和步骤五中计算的边界条件，进行网格划分，并在三个模块中设置需要获得的结果；

步骤八、在Workbench主界面上，右键点击Update，开始计算。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。