基于ANSYS的高速列車(chē)剎車(chē)制動(dòng)分析

2017-09-28 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

動(dòng)力制動(dòng)和摩擦制動(dòng)是高速列車(chē)實(shí)現(xiàn)停車(chē)所必不可少的制動(dòng)方式。與傳統(tǒng)的踏面制動(dòng)方式相比,盤(pán)形制動(dòng)方式具有動(dòng)能轉(zhuǎn)移能力大,摩擦性能好,制動(dòng)平穩(wěn),制動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)。盤(pán)形制動(dòng)的安裝方式主要有以下幾種方式:

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圖1盤(pán)形制動(dòng)的安裝方式

目前,關(guān)于制動(dòng)盤(pán)的研究主要有三個(gè)方面的研究:制動(dòng)盤(pán)材料的研究,制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬;制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)性能的研究。目前應(yīng)用的制動(dòng)盤(pán)材料主要有:鐵系材料、粉末冶金材料、C/C復(fù)合材料以及陶瓷制動(dòng)材料。西北工業(yè)大學(xué)的C/C復(fù)合材料研究走在前列,其開(kāi)發(fā)的C/C復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用航天飛機(jī)中的剎車(chē)系統(tǒng)中。

制動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,涉及到摩擦學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)等多個(gè)方面因素交互作用的過(guò)程。本文采用數(shù)值模擬技術(shù),借用ANSYS軟件,在熱-力耦合條件下,分析了高速列車(chē)時(shí)速在300km/h制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)力的劇烈變化引起的制動(dòng)盤(pán)表面溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化的瞬態(tài)過(guò)程。

1、模型的建立

制動(dòng)盤(pán)工作時(shí)的熱量產(chǎn)生于制動(dòng)盤(pán)和閘片表面的摩擦。一部分熱量通過(guò)各種途徑散發(fā)出去,另一部分在制動(dòng)片內(nèi)部積累,是其溫度不斷升高。本文所選用的制動(dòng)盤(pán)相關(guān)物理尺寸及材料參數(shù)如下所示:

表1 制動(dòng)盤(pán)相關(guān)物理尺寸及材料參數(shù)

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2、網(wǎng)格的劃分

單元選擇熱應(yīng)力單元Solid70。模型中可以建立六面體網(wǎng)格劃分,然后建立輪盤(pán)、散熱筋、輪軸的接觸。本文采取整體建立模型,利用四面體網(wǎng)格劃分。節(jié)點(diǎn)數(shù)量為206748,單元數(shù)量為949320。

對(duì)于摩擦的輪盤(pán),在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中閘片不斷改變與輪軸的接觸位置,在有熱流密度的同時(shí),也和外界空氣進(jìn)行熱對(duì)流,因此可以選用表面效應(yīng)單元esurf52。

3、載荷的施加

計(jì)算中載荷的施加主要有兩種,一種是熱流密度,另外一種是與空氣的對(duì)流換熱。在溫度上升不是很高的情況下,可以將輻射忽略。

3.1熱流密度

由于制動(dòng)盤(pán)實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器,將列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為熱能,本文將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成的熱能以熱流密度的方式加載到制動(dòng)盤(pán)的摩擦環(huán)上。

任意時(shí)刻產(chǎn)生的熱量:

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式中M為每盤(pán)承擔(dān)的制動(dòng)質(zhì)量,即軸重除以盤(pán)數(shù)。V0是列車(chē)的初速度,V是列車(chē)任意時(shí)刻的行駛速度。將熱量對(duì)時(shí)間求導(dǎo),再除以摩擦面積即得到任意時(shí)刻的熱流密度函數(shù),η為動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能的效率,即:

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3.2對(duì)流換熱系數(shù)

氣體的流動(dòng)狀態(tài)分為層流,紊流、緩和邊界層等狀態(tài)。高速列車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)候,列車(chē)相對(duì)空氣的運(yùn)動(dòng)速度接近聲速,需要根據(jù)相應(yīng)的特征數(shù)來(lái)判斷氣體的流動(dòng)狀態(tài),繼而決定輪盤(pán)與空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。跟據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),本文選用的制動(dòng)盤(pán)對(duì)流換熱系數(shù)為:

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式中Pr為普朗特常數(shù),通常取為;λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù),通常取為;L為壁面長(zhǎng)度,取制動(dòng)盤(pán)平均摩擦半徑周長(zhǎng);u為空氣流動(dòng)速度,為更好求解計(jì)算,假設(shè)制動(dòng)盤(pán)各個(gè)位置的空氣流動(dòng)速度都約等于列車(chē)速度v;λ為空氣的運(yùn)動(dòng)粘度。

由于在加載過(guò)程中,模型的每一步中熱流密度和散熱系數(shù)根據(jù)列車(chē)速度的不同而不同,因此選用循環(huán)的加載方式,每一次加載之前都刪除之前的載荷,同時(shí)利用函數(shù)加載的方式進(jìn)行加載

4、溫度場(chǎng)結(jié)果分析

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圖3分別為制動(dòng)盤(pán)在7S,37S,61S,91S(制動(dòng)結(jié)束)時(shí)科的溫度分布。從中可以看出,制動(dòng)開(kāi)始時(shí),溫度快速上升,在7S的時(shí)候溫度分布已經(jīng)達(dá)到200℃。這說(shuō)明,開(kāi)始制動(dòng)時(shí),流入制動(dòng)盤(pán)的熱量遠(yuǎn)大于制動(dòng)盤(pán)向空氣中散出的熱量,短時(shí)間內(nèi)熱量來(lái)不及散出,因此制動(dòng)盤(pán)快速升溫。當(dāng)流入熱量等于散熱時(shí),溫度達(dá)到最高值,當(dāng)流入熱量小于散出熱量時(shí),制動(dòng)盤(pán)溫度開(kāi)始下井,一直到列車(chē)結(jié)束。

圖4為制動(dòng)盤(pán)最高溫度隨時(shí)間的變化曲線,可以看見(jiàn),大約在60S的時(shí)候,散熱盤(pán)的溫度達(dá)到最高值,溫度達(dá)到460攝氏度。同時(shí)溫度對(duì)時(shí)間的斜率可以看出,溫度快速升高,緩慢升高,達(dá)到最大值后,開(kāi)始降溫。

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圖4 制動(dòng)盤(pán)溫度隨時(shí)間的變化

5、應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析

實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中,制動(dòng)盤(pán)所受的機(jī)械載荷包括:旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、震動(dòng)載荷、壓載載荷等相應(yīng)的作用力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知,與摩擦熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力相比,忽略掉這些因素。由于制動(dòng)盤(pán)是固定在車(chē)軸上的,因此在其內(nèi)徑處的接觸面,固定其各個(gè)方向的位移,而軸盤(pán)是對(duì)稱(chēng)的,固定對(duì)稱(chēng)面上Z方向的位移。然后倒入熱分析結(jié)果文件中的節(jié)點(diǎn)溫度值作為載荷,即可求得熱應(yīng)力場(chǎng)。

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