Hypermesh聯合LS-dyna剎車制動盤仿真分析

2017-02-23  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1、前言

摩擦制動器工作時,運動部件在運動過程中,由于接觸所產生的摩擦會使得摩擦副元件的溫度升高,而溫度升高對材料的性能參數有影響,對摩擦副的摩擦學特性也有重要的影響,會直接影響摩擦制動器的性能,所以對摩擦制動器元件溫度場的分析在制動器的設計中具有重要的意義。在傳統(tǒng)的摩擦表面溫度場分析中,大都簡單地假設摩擦熱產生于相互接觸的摩擦副表面,并且人為地預先將熱流分配于相互摩擦的摩擦副的表面上,同時,熱流在兩摩擦副之間的分配是隨時間而改變的。為了更好的研究制動器元件在工作過程中的溫度場的變化,采用著名的顯示動力學計算軟件ANSYS LS-DYNA對制動器進行熱固耦合分析。

LS-DYNA是國際著名的非線性動力分析軟件,是功能齊全的幾何非線性(大位移,大轉動和大應變),材料非線性和接觸非線性程序,LS-DYNA程序有二維和三維熱分析模塊,可以進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的熱分析,和熱固耦合分析,可以處理熱傳導,對流和輻射各種熱問題,在焊接,沖壓,鍛壓及碰撞過程中可方便的參考熱問題(如塑形能轉化為熱能的問題)及熱應力問題等。摩擦制動器在工作過程中不僅有制動盤的大位移非線性,而且有制動盤和摩擦片的接觸非線性,并且隨著摩擦產生的熱會使得制動盤和摩擦片溫度均大幅升高,使得其材料性能參數發(fā)生變化,涵蓋了幾何非線性,接觸非線性,材料非線性等眾多非線性因素,因此選擇LS-DYNA軟件對制動器的工作原理及溫度場進行仿真研究。

2、制動器熱固耦合分析有限元模型

本文利用HyperMesh作為前處理軟件, HyperMesh是一個高質量高效率的前處理器,它提供了高度交互的可視化環(huán)境幫助用戶建立產品的有限元模型。其放開的架構提供了最廣泛的CAE,CAE和CFD軟件接口,并且支持用戶自定義,從而可以與任何仿真環(huán)境無縫集成。HyperMesh強大的幾何清理功能可以用于修正幾何模型中的錯誤,修改幾何模型,從而提升建模效率;高質量高效率的網格劃分技術可以完成全面的桿梁,板殼,四面體和六面體網格的自動和半自動劃分,大大簡化了對復雜幾何模型進行仿真建模的過程。本文利用CATIA中建立的幾何模型,并且?guī)缀文Ｐ蛯際ypermesh14.0,進行幾何模型簡化,網格劃分,材料屬性定義,單元算法定義,邊界條件施加,載荷施加,時間步長控制以及其他熱固耦合分析參數設定等,最后導出K文件,利用ANSYS LS-DYNA求解器遞交求解,最后利用LSPREPOST進行后處理結果分析。

2.1有限元網格模型及簡化

用幾何導入的方式將CATIA生成的幾何模型導入到Hypermesh14.0,模型如下圖所示:

圖1 導入后的幾何模型圖

模型上下各一個剎車片,為簡化模型,假設上下摩擦片產生的溫度場不會傳遞到中間層,模型采用對稱處理,對制動盤的網格采用完全的六面體映射網格,剎車片將上部不與制動盤接觸的幾何刪除,簡化網格劃分的難度,進行網格劃分后的模型如圖2所示,劃分后的模型剎車盤單元數為17280個,剎車片的單元數為2952個,單元總數為20232,節(jié)點數為26286個。

圖2 進行對稱處理及網格劃分后的有限元網格模型

2.2 邊界條件

制動器熱固耦合分析采用對稱模型,對制動盤底部節(jié)點進行Y方向自由度的約束,采用剛柔耦合的方法對轉盤施加恒定轉動速度。dyna在分析過程中更加注重接觸算法,基礎力學所分析的對像均只考慮力的受體,故輸入條件皆為外力量值。然而在真實情況下,物體受力通常是因為與其它的物體發(fā)生接觸(Contact)才受力,此時外力量值是無法預期的,應該輸入的條件往往都是幾何上的接觸條件。因為有完備的接觸力學演算方式,LS-DYNA才得以忠實的仿真現實環(huán)境的復雜結構行為,剎車片和制動盤之間的力也是通過接觸產生的,因此給剎車片施加向下的位移,通過不斷調試剎車片向下位移大小,獲得剎車片計算得出力對應的位移大小。

2.3定義單元類型及材料屬性

制動盤和剎車片主要選用8節(jié)點單元Solid164,單元Solid164如圖3所示。

圖3 Solide164單元模型

目前較多采用的是8節(jié)點六面體實體等單元Solid164來進行后處理分析,這種低階單元運算速度快,并且精度很高,制動盤和剎車片單元算法均采用算法1,即缺省的常應力單元計算公式,這種算法采用單點積分,需要進行沙漏控制,是最有效和最穩(wěn)定的8節(jié)點體單元算法,通過關鍵字*SECTION_SOLID定義單元算法。

由于是熱固耦合分析,材料的物性參數和熱性參數是分開定義的,即通過不同的材料關鍵字來定義,剎車片和制動盤物性材料參數采用DYNA彈塑性熱分析4號材料模型,即*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL,定義四組不同溫度下的彈性模量,泊松比,熱膨脹系數,屈服應力和剪切模量,熱性材料參數采用6號各向異性熱材料即*MAT_THREMAL_ISOTROPIC_TD_LC,熱性材料只需要輸入材料的密度以及比熱容和熱傳導率。

剛性體采用20號材料模型,即*MAT_RIGID,定義材料的密度,彈性模量,泊松比,并在材料參數中對相應的自由度進行約束。

當定義好單元算法和材料參數后,通過*part關鍵字將單元算法和材料參數關聯到相應的part中。

目前較多采用的是8節(jié)點六面體實體等單元Solid164來進行后處理分析,這種低階單元運算速度快,并且精度很高,制動盤和剎車片單元算法均采用算法1,即缺省的常應力單元計算公式,這種算法采用單點積分,需要進行沙漏控制,是最有效和最穩(wěn)定的8節(jié)點體單元算法,通過關鍵字*SECTION_SOLID定義單元算法。

由于是熱固耦合分析,材料的物性參數和熱性參數是分開定義的,即通過不同的材料關鍵字來定義,剎車片和制動盤物性材料參數采用DYNA彈塑性熱分析4號材料模型,即*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL,定義四組不同溫度下的彈性模量,泊松比,熱膨脹系數,屈服應力和剪切模量,熱性材料參數采用6號各向異性熱材料即*MAT_THREMAL_ISOTROPIC_TD_LC,熱性材料只需要輸入材料的密度以及比熱容和熱傳導率。

剛性體采用20號材料模型,即*MAT_RIGID,定義材料的密度,彈性模量,泊松比,并在材料參數中對相應的自由度進行約束。

當定義好單元算法和材料參數后,通過*part關鍵字將單元算法和材料參數關聯到相應的part中。

2.4接觸定義及求解參數設置

制動器熱固耦合分析,剎車片和制動盤之間存在接觸,必須考慮熱接觸問題,LS-DYNA可以定義3D和2D狀態(tài)下的熱接觸問題。對于三維熱接觸,目前只能采用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL關鍵字進行定義,定義剎車片和制動盤之間的動摩擦系數和靜摩擦系數均為0.35,在兩接觸物體空隙間的導熱系數為40W/(m.K),兩物體間的熱輻射因子為0.127,兩物體空隙間的熱傳導系數為28000 W/(m.K),最小空隙條件為1mm,最大空隙量為3mm。定義好的接觸對如圖4所示:

圖4 剎車片和制動盤接觸對定義

利用關鍵字*CONTROL_SOLUTION并取值為2,激活熱固耦合分析類型,利用*INITIAL_TEMPERATURE_SET對摩擦片和制動盤添加初始溫度邊界條件,初始溫度設為22度。通過*CONTROL_THREMAL_SOLVER定義分析類型為瞬態(tài)非線性熱分析,并添加關鍵字*CONTROL_THREMAL_NONLINEAR激活非線性分析。

3、制動器熱固耦合后處理分析

當在Hypermesh中完成制動器熱固耦合前處理后,導出K文件,修改部分不支持的關鍵字,最后遞交到LS-DYNA971求解器進行求解,最后利用LSPREPOST進行后處理結果查看。

3.1接觸力分析

通過控制剎車片的位移,使得剎車片和制動盤之間接觸,并通過動態(tài)罰函數法求得該接觸對之間的接觸力,提供*DATABASE_RCFORC提取時間力曲線如圖5所示。

圖5 剎車片和制動盤時間接觸力曲線

由圖可以看出,施加的位移為線性,接觸力也呈線性增加的趨勢,最后調試出來的力最大數值為4699.8N,與計算所獲得的力大小基本一致,可見調試結果滿足實際工況。

3.2制動盤溫度云圖分析

通過lsprepost提取制動盤的不同時刻的溫度云圖如圖6所示,由圖可以看出,與剎車片接觸區(qū)域的溫度始終是整盤最高的溫度區(qū)域,處于接觸區(qū)域的徑向中間位置,并隨著剎車片的下壓,制動盤和摩擦片的溫升隨摩擦熱流的增大而一直呈上升趨勢,溫升區(qū)域逐漸向內徑和外徑方向擴大,溫度分布越來越分散,最后當力達到4699.8N時,摩擦熱流和對流換熱的作用相當,溫度達到最大值,制動盤溫度最高為153.7度

圖6 制動盤不同時刻溫度云圖

提取制動盤不同徑向方向單元,分析在分析過程中其溫度變化趨勢,提取單元如圖7所示,提取不同的單元溫度時間曲線如圖8所示,由圖可以看出,單元溫度曲線呈折現上升趨勢,這是因為當在與剎車片接觸過程中,剎車片溫度升高,在其他時間剎車片與空氣對流,溫度稍微降低,在第二次與剎車片接觸過程中又繼續(xù)升高,單元A,H處于離剎車片的內邊緣和外邊緣,是離接觸地方最遠的區(qū)域,因此溫度變化較小,其他的越靠近接觸的地方溫度升高越快。

圖7 制動盤提取單元示意圖

圖8 制動盤提取單元時間溫度曲線

3.3剎車片溫度云圖分析

提取剎車片不同時刻的溫度云圖進行查看,如圖9所示,由圖可以看出,剎車片隨著制動過程的進行,溫度逐漸升高,并且最高溫度位于剎車片邊緣區(qū)域,剎車片溫度最高可以達到267.2度,高于制動盤,這是因為在制動過程中,剎車片一直處于接觸摩擦過程中,對熱換熱較小,以上分析與實際相符。

圖9 剎車片不同時刻溫度云圖

為分析不同區(qū)域剎車片的趨勢,提取如圖10所示單元在不同時刻的時間溫度曲線,如圖11所示,由圖可以看出,單元隨著制動過程的進行,溫度不斷升高,并越靠近邊緣,溫度越高,越靠近端部溫度越低:

圖10 剎車片提取單元示意圖

圖11 剎車片不同位置單元溫度時間曲線

3.4制動盤應力云圖分析

提取接觸后制動盤的應力云圖如圖12所示,由圖可見,制動盤應力較大區(qū)域也位于接觸區(qū)域,在剛柔耦合區(qū)域應力也會出現較大,但那些區(qū)域不是本文分析對象,不予以考慮,當制動到最大位置時,制動盤應力最大可以達到357Mpa 。

圖12 制動盤不同時刻應力云圖

提取接觸區(qū)域一單元進行應力分析,提取單元應力時程曲線如圖13所示,由圖可以看出,在接觸較少時,制動盤的應力較小,并呈正弦波動的形式,隨著剎車片的壓入,接觸應力逐漸增大,最大達到295.7Mpa:

圖13 制動盤不同位置單元應力時間曲線

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