搜索基于ANSYS的高速列車剎車制動分析
2017-09-28 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
動力制動和摩擦制動是高速列車實現(xiàn)停車所必不可少的制動方式。與傳統(tǒng)的踏面制動方式相比,盤形制動方式具有動能轉移能力大,摩擦性能好,制動平穩(wěn),制動結構簡單、安全、可靠等優(yōu)點。盤形制動的安裝方式主要有以下幾種方式:
圖1盤形制動的安裝方式
目前,關于制動盤的研究主要有三個方面的研究:制動盤材料的研究,制動盤制動過程的數(shù)值模擬;制動盤制動性能的研究。目前應用的制動盤材料主要有:鐵系材料、粉末冶金材料、C/C復合材料以及陶瓷制動材料。西北工業(yè)大學的C/C復合材料研究走在前列,其開發(fā)的C/C復合材料已經應用航天飛機中的剎車系統(tǒng)中。
制動是一個復雜的過程,涉及到摩擦學、熱力學、動力學、材料學等多個方面因素交互作用的過程。本文采用數(shù)值模擬技術,借用ANSYS軟件,在熱-力耦合條件下,分析了高速列車時速在300km/h制動過程中的制動力的劇烈變化引起的制動盤表面溫度場、應力場變化的瞬態(tài)過程。
1、模型的建立
制動盤工作時的熱量產生于制動盤和閘片表面的摩擦。一部分熱量通過各種途徑散發(fā)出去,另一部分在制動片內部積累,是其溫度不斷升高。本文所選用的制動盤相關物理尺寸及材料參數(shù)如下所示:
表1 制動盤相關物理尺寸及材料參數(shù)
2、網(wǎng)格的劃分
單元選擇熱應力單元Solid70。模型中可以建立六面體網(wǎng)格劃分,然后建立輪盤、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)點數(shù)量為206748,單元數(shù)量為949320。
對于摩擦的輪盤,在轉動的過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,也和外界空氣進行熱對流,因此可以選用表面效應單元esurf52。
3、載荷的施加
計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
由于制動盤實際上是一種能量轉換器,將列車的動能轉化成為熱能,本文將動能轉換成的熱能以熱流密度的方式加載到制動盤的摩擦環(huán)上。
任意時刻產生的熱量:
式中M為每盤承擔的制動質量,即軸重除以盤數(shù)。V0是列車的初速度,V是列車任意時刻的行駛速度。將熱量對時間求導,再除以摩擦面積即得到任意時刻的熱流密度函數(shù),η為動能轉換為熱能的效率,即:
3.2對流換熱系數(shù)
氣體的流動狀態(tài)分為層流,紊流、緩和邊界層等狀態(tài)。高速列車運動時候,列車相對空氣的運動速度接近聲速,需要根據(jù)相應的特征數(shù)來判斷氣體的流動狀態(tài),繼而決定輪盤與空氣的導熱系數(shù)。跟據(jù)相關文獻,本文選用的制動盤對流換熱系數(shù)為:
式中Pr為普朗特常數(shù),通常取為;λa為空氣導熱系數(shù),通常取為;L為壁面長度,取制動盤平均摩擦半徑周長;u為空氣流動速度,為更好求解計算,假設制動盤各個位置的空氣流動速度都約等于列車速度v;λ為空氣的運動粘度。
由于在加載過程中,模型的每一步中熱流密度和散熱系數(shù)根據(jù)列車速度的不同而不同,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,同時利用函數(shù)加載的方式進行加載
4、溫度場結果分析
圖3分別為制動盤在7S,37S,61S,91S(制動結束)時科的溫度分布。從中可以看出,制動開始時,溫度快速上升,在7S的時候溫度分布已經達到200℃。這說明,開始制動時,流入制動盤的熱量遠大于制動盤向空氣中散出的熱量,短時間內熱量來不及散出,因此制動盤快速升溫。當流入熱量等于散熱時,溫度達到最高值,當流入熱量小于散出熱量時,制動盤溫度開始下井,一直到列車結束。
圖4為制動盤最高溫度隨時間的變化曲線,可以看見,大約在60S的時候,散熱盤的溫度達到最高值,溫度達到460攝氏度。同時溫度對時間的斜率可以看出,溫度快速升高,緩慢升高,達到最大值后,開始降溫。
圖4 制動盤溫度隨時間的變化
5、應力場結果分析
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