Hypermesh聯(lián)合LS-dyna剎車制動(dòng)盤仿真分析

2017-02-23  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1、前言

摩擦制動(dòng)器工作時(shí),運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過程中,由于接觸所產(chǎn)生的摩擦?xí)沟媚Σ粮痹臏囟壬?而溫度升高對(duì)材料的性能參數(shù)有影響,對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)特性也有重要的影響,會(huì)直接影響摩擦制動(dòng)器的性能,所以對(duì)摩擦制動(dòng)器元件溫度場的分析在制動(dòng)器的設(shè)計(jì)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(shè)摩擦熱產(chǎn)生于相互接觸的摩擦副表面,并且人為地預(yù)先將熱流分配于相互摩擦的摩擦副的表面上,同時(shí),熱流在兩摩擦副之間的分配是隨時(shí)間而改變的。為了更好的研究制動(dòng)器元件在工作過程中的溫度場的變化,采用著名的顯示動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS LS-DYNA對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行熱固耦合分析。

LS-DYNA是國際著名的非線性動(dòng)力分析軟件,是功能齊全的幾何非線性(大位移,大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)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(jìn)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(dǎo),對(duì)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(zhuǎn)化為熱能的問題)及熱應(yīng)力問題等。摩擦制動(dòng)器在工作過程中不僅有制動(dòng)盤的大位移非線性,而且有制動(dòng)盤和摩擦片的接觸非線性,并且隨著摩擦產(chǎn)生的熱會(huì)使得制動(dòng)盤和摩擦片溫度均大幅升高,使得其材料性能參數(shù)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(duì)制動(dòng)器的工作原理及溫度場進(jìn)行仿真研究。

2、制動(dòng)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(gè)高質(zhì)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(chǎn)品的有限元模型。其放開的架構(gòu)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(qiáng)大的幾何清理功能可以用于修正幾何模型中的錯(cuò)誤,修改幾何模型,從而提升建模效率;高質(zhì)量高效率的網(wǎng)格劃分技術(shù)可以完成全面的桿梁,板殼,四面體和六面體網(wǎng)格的自動(dòng)和半自動(dòng)劃分,大大簡化了對(duì)復(fù)雜幾何模型進(jìn)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?dǎo)入Hypermesh14.0,進(jìn)行幾何模型簡化,網(wǎng)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(shí)間步長控制以及其他熱固耦合分析參數(shù)設(shè)定等,最后導(dǎo)出K文件,利用ANSYS LS-DYNA求解器遞交求解,最后利用LSPREPOST進(jìn)行后處理結(jié)果分析。

2.1有限元網(wǎng)格模型及簡化

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

圖1 導(dǎo)入后的幾何模型圖

模型上下各一個(gè)剎車片,為簡化模型,假設(shè)上下摩擦片產(chǎn)生的溫度場不會(huì)傳遞到中間層,模型采用對(duì)稱處理,對(duì)制動(dòng)盤的網(wǎng)格采用完全的六面體映射網(wǎng)格,剎車片將上部不與制動(dòng)盤接觸的幾何刪除,簡化網(wǎng)格劃分的難度,進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示,劃分后的模型剎車盤單元數(shù)為17280個(gè),剎車片的單元數(shù)為2952個(gè),單元總數(shù)為20232,節(jié)點(diǎn)數(shù)為26286個(gè)。

圖2 進(jìn)行對(duì)稱處理及網(wǎng)格劃分后的有限元網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件

制動(dòng)器熱固耦合分析采用對(duì)稱模型,對(duì)制動(dòng)盤底部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Y方向自由度的約束,采用剛?cè)狁詈系姆椒▽?duì)轉(zhuǎn)盤施加恒定轉(zhuǎn)動(dòng)速度。dyna在分析過程中更加注重接觸算法,基礎(chǔ)力學(xué)所分析的對(duì)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(shí)情況下,物體受力通常是因?yàn)榕c其它的物體發(fā)生接觸(Contact)才受力,此時(shí)外力量值是無法預(yù)期的,應(yīng)該輸入的條件往往都是幾何上的接觸條件。因?yàn)橛型陚涞慕佑|力學(xué)演算方式,LS-DYNA才得以忠實(shí)的仿真現(xiàn)實(shí)環(huán)境的復(fù)雜結(jié)構(gòu)行為,剎車片和制動(dòng)盤之間的力也是通過接觸產(chǎn)生的,因此給剎車片施加向下的位移,通過不斷調(diào)試剎車片向下位移大小,獲得剎車片計(jì)算得出力對(duì)應(yīng)的位移大小。

2.3定義單元類型及材料屬性

制動(dòng)盤和剎車片主要選用8節(jié)點(diǎn)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(diǎn)六面體實(shí)體等單元Solid164來進(jìn)行后處理分析,這種低階單元運(yùn)算速度快,并且精度很高,制動(dòng)盤和剎車片單元算法均采用算法1,即缺省的常應(yīng)力單元計(jì)算公式,這種算法采用單點(diǎn)積分,需要進(jìn)行沙漏控制,是最有效和最穩(wěn)定的8節(jié)點(diǎn)體單元算法,通過關(guān)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(shù)和熱性參數(shù)是分開定義的,即通過不同的材料關(guān)鍵字來定義,剎車片和制動(dòng)盤物性材料參數(shù)采用DYNA彈塑性熱分析4號(hào)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(shù),屈服應(yīng)力和剪切模量,熱性材料參數(shù)采用6號(hào)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(dǎo)率。

剛性體采用20號(hào)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(shù)中對(duì)相應(yīng)的自由度進(jìn)行約束。

當(dāng)定義好單元算法和材料參數(shù)后,通過*part關(guān)鍵字將單元算法和材料參數(shù)關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的part中。

目前較多采用的是8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體等單元Solid164來進(jìn)行后處理分析,這種低階單元運(yùn)算速度快,并且精度很高,制動(dòng)盤和剎車片單元算法均采用算法1,即缺省的常應(yīng)力單元計(jì)算公式,這種算法采用單點(diǎn)積分,需要進(jìn)行沙漏控制,是最有效和最穩(wěn)定的8節(jié)點(diǎn)體單元算法,通過關(guān)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(shù)和熱性參數(shù)是分開定義的,即通過不同的材料關(guān)鍵字來定義,剎車片和制動(dòng)盤物性材料參數(shù)采用DYNA彈塑性熱分析4號(hào)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(shù),屈服應(yīng)力和剪切模量,熱性材料參數(shù)采用6號(hào)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(dǎo)率。

剛性體采用20號(hào)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(shù)中對(duì)相應(yīng)的自由度進(jìn)行約束。

當(dāng)定義好單元算法和材料參數(shù)后,通過*part關(guān)鍵字將單元算法和材料參數(shù)關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的part中。

2.4接觸定義及求解參數(shù)設(shè)置

制動(dòng)器熱固耦合分析,剎車片和制動(dòng)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(duì)于三維熱接觸,目前只能采用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL關(guān)鍵字進(jìn)行定義,定義剎車片和制動(dòng)盤之間的動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)均為0.35,在兩接觸物體空隙間的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)系數(shù)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(duì)如圖4所示:

圖4 剎車片和制動(dòng)盤接觸對(duì)定義

利用關(guān)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(duì)摩擦片和制動(dòng)盤添加初始溫度邊界條件,初始溫度設(shè)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(guān)鍵字*CONTROL_THREMAL_NONLINEAR激活非線性分析。

3、制動(dòng)器熱固耦合后處理分析

當(dāng)在Hypermesh中完成制動(dòng)器熱固耦合前處理后,導(dǎo)出K文件,修改部分不支持的關(guān)鍵字,最后遞交到LS-DYNA971求解器進(jìn)行求解,最后利用LSPREPOST進(jìn)行后處理結(jié)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(dòng)盤之間接觸,并通過動(dòng)態(tài)罰函數(shù)法求得該接觸對(duì)之間的接觸力,提供*DATABASE_RCFORC提取時(shí)間力曲線如圖5所示。

圖5 剎車片和制動(dòng)盤時(shí)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(diào)試出來的力最大數(shù)值為4699.8N,與計(jì)算所獲得的力大小基本一致,可見調(diào)試結(jié)果滿足實(shí)際工況。

3.2制動(dòng)盤溫度云圖分析

通過lsprepost提取制動(dòng)盤的不同時(shí)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(dòng)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(nèi)徑和外徑方向擴(kuò)大,溫度分布越來越分散,最后當(dāng)力達(dá)到4699.8N時(shí),摩擦熱流和對(duì)流換熱的作用相當(dāng),溫度達(dá)到最大值,制動(dòng)盤溫度最高為153.7度

圖6 制動(dòng)盤不同時(shí)刻溫度云圖

提取制動(dòng)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(shí)間曲線如圖8所示,由圖可以看出,單元溫度曲線呈折現(xiàn)上升趨勢,這是因?yàn)楫?dāng)在與剎車片接觸過程中,剎車片溫度升高,在其他時(shí)間剎車片與空氣對(duì)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(nèi)邊緣和外邊緣,是離接觸地方最遠(yuǎn)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(dòng)盤提取單元示意圖

圖8 制動(dòng)盤提取單元時(shí)間溫度曲線

3.3剎車片溫度云圖分析

提取剎車片不同時(shí)刻的溫度云圖進(jìn)行查看,如圖9所示,由圖可以看出,剎車片隨著制動(dòng)過程的進(jìn)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(dá)到267.2度,高于制動(dòng)盤,這是因?yàn)樵谥苿?dòng)過程中,剎車片一直處于接觸摩擦過程中,對(duì)熱換熱較小,以上分析與實(shí)際相符。

圖9 剎車片不同時(shí)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(shí)刻的時(shí)間溫度曲線,如圖11所示,由圖可以看出,單元隨著制動(dòng)過程的進(jìn)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(shí)間曲線

3.4制動(dòng)盤應(yīng)力云圖分析

提取接觸后制動(dòng)盤的應(yīng)力云圖如圖12所示,由圖可見,制動(dòng)盤應(yīng)力較大區(qū)域也位于接觸區(qū)域,在剛?cè)狁詈蠀^(qū)域應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)較大,但那些區(qū)域不是本文分析對(duì)象,不予以考慮,當(dāng)制動(dòng)到最大位置時(shí),制動(dòng)盤應(yīng)力最大可以達(dá)到357Mpa 。

圖12 制動(dòng)盤不同時(shí)刻應(yīng)力云圖

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

圖13 制動(dòng)盤不同位置單元應(yīng)力時(shí)間曲線

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