现代机械2013年第5期

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·28·

基于ABAQUS的刹车盘热应力分析

1，21

冯世波，罗艳蕾

(1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550003;2.中航力源液压股份有限公司，贵州贵阳550018)

摘要：提出了热应力问题中的物理方程以及热应力问题求解的虚功原理。应用ABAQUS动力学显式热应力耦合分析对机动车刹车盘进行热应力仿真，得出刹车盘受到热应力较大影响的结论。得出了相应的仿真结果，对刹车系统的设计具有参考价值。关键词：显式求解

耦合分析

仿真

热应力

文章编号：1002－6886（2013）04－0028－03

中图分类号：TH123+．4

文献标识码：A

BasedontheBrakeDiscoftheThermalStressAnalysisofABAQUS

FENGShibo，LUOYanlei

Abstract：Thephysicalequationinthermalstressproblemisproposedandthermalstressproblemsolvingprincipleofvirtualwork．Theabaqusdynamicsexplicitapplicationofthermalstresscouplinganalysisofmotorvehiclebrakediscther-malstresssimulation，drawbrakediscbytheconclusionofthethermalstress．Drawthecorrespondingsimulationresults，thedesignofthebrakesystemofimportantreferencevalue．

Keywords：explicitsolution；couplinganalysis；simulation；thermalstress

0引言

摩擦热几乎存在于所有的工程实际之中，因摩

应力分析，获得了相应的计算结果，为刹车盘的改进以及事故的预防提供参考和依据。

1热应力问题的有限元分析列式

目前工程中对于物体的热问题研究包含有两

然而涉擦产生热量是工程实际中经常遇到的问题，及到的问题并不是简单的热分析，而是多种物理场的综合作用。刹车盘的热应力分析就是涉及温度场和应力场的热－机耦合问题，在问题的分析过程中需要对各个物理场的作用效果及相互之间的影响同时考虑。

刹车装置是任何机动车辆不可或缺的重要组成系统，刹车系统的好坏直接关系到人们的生命和财产安全。机动车的刹车系统中广泛应用刹车盘，机动车制动时，车辆的动能转化为由刹车片和刹车盘的摩擦产生的热能，而产生的热能中的绝大部分会被刹车盘短时间内吸收，这就造成了刹车盘温度的急剧升高，存在较大的热应力。同时刹车盘生成的热引起的高温会对刹车片的材料性能和刹车性能产生较大的影响，会使刹车系统存在安全性问题

［1］

部分的内容，一部分是对传热问题进行研究来确定温度场，另一部分是在已知温度场的情况下对应力应变的研究，也即热应力问题研究。实际问题的研究中，两种问题研究是相互影响和耦合的，但是在大多数情况下，传热问题所确定的温度，将直接影响物体的热应力，而物体的热应力对前者的耦合影响不大。基于此，可将物体的热问题解耦分成两个过程来进行计算，从而获得相应的计算结果

［2］

。下面讨论在已知温度分布的前提下所

产生的热应力。

1.1热应力问题中的物理方程

y，z），设物体内存在温度的分布ΔT（x，那么它其热膨胀量（也称为热应变）为：将引起热膨胀，

y，z）αT×ΔT（x，

αT为热膨胀系数；则该物体的物理方程由于增加了

。

本文通过建立刹车系统刹车盘有限元模型进行了热

设计·研究·分析

·29·

2.2材料的属性及性能与温度的影响热膨胀量（温度正应变）而变为：

1

σx－μ（σy+σz）］+αT·ΔT E

1

εy=σy－μ（σx+σz）］+αT·ΔT

E

1εz=σz－μ（σy+σx）］+αT·ΔT

E

111

γxy=τxy，γyz=τyz，γzx=τzx

GGGεx=

可将上式写成指标形式：

－10

εij=Dijklσkl+εij

刹车盘与刹车盘基座的材料都为钢，刹车片为提高摩擦效果，采用树脂加强的复合材料。摩擦系数和材料性能随温度变化的情况分别为表1和表2所示

［3］

。

温度与摩擦系数

200．37

1000．38

2000．41

3000．39

4000．24

表1

温度/℃摩擦系数

表2

温度/℃

温度与材料性能的影响

202．2e91e－5

1001．3e9

2005．3e83e－5

3003．e8

或

σij=Dijkl（εkl－εkl）

2

弹性模量/N/mm－1

热膨胀系数/K

其中热应变为：

εij=[αT·ΔT

αT·ΔTαT·ΔT0

00

]T

3

1.2热应力问题求解的虚功原理

热应力问题的物理方程除上面所述之外，其平几何方程以及边界条件与普通弹性问题相衡方程、

同，弹性问题的一般虚功原理为δU－δW=0，即：

有限元数值仿真分析

经过Abaqus后处理器求解运算，得出刹车盘在

3.1刹车盘节点温度

节点处的温度值，如图2所示。刹车盘与刹车片摩擦使得节点温度升高，刹车盘节点最高温度值为38．58℃，说明刹车盘与刹车片摩擦过程中温度会升高，会对材料的摩擦性能以及材料的热膨胀系数等产生影响

。

∫D

Ω

ijkl

εklδεijdΩ－→

i

i

Sp

i

i

ijkl



[∫bδμdΩ+∫pδμdA+∫D

Ω

Ω

［2］

εklδεijdΩ

]

这就是热应力问题的虚位移方程，也就是热应力问题的虚功原理

。

2有限元模型的建立和材料属性

Abaqus有着非常友好的人机交互界面，其前处

2.1有限元模型的建立

易于下一步的理模块能进行简单几何模型的建立，

网格划分等。对于本文的刹车片和刹车盘，直接应用Abaqus前处理器进行建模。装配好的有限元模型如图1所示。

3.2刹车盘热应力分布与接触应力分布

图3为刹车盘的总体位移云图，从中可以发现刹车盘与刹车片相互摩擦运动的过程中刹车盘发生了相对移动，因此刹车片对刹车盘的初始应力位置有一定改变。同时结合图4可以发现作用摩擦部位发生变化，更靠近刹车盘的内圈。其中，因摩擦而产生较大的热应力，最大值为216．3MPa。

由图5可知，刹车片与刹车盘接触静压力最大值为1．89MPa，结合图4可以清楚地看到，当刹车片与刹车盘相对摩擦过程中，刹车盘产生的最大压

现代机械2013年第5期

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3.3刹车系统能量变化分析力值为216．3MPa，大大高于两者相对静止时的最

·30·

大静压应力。从而可以得出由于刹车片和刹车盘的相对摩擦运动产生的热使得刹车盘温度升高，从而产生了较大的热应力，较静压应力有了两个数量级的增大。所以对刹车盘的热应力分析是不可忽视的对于工程中刹车盘的设计具有重要参考价值

。问题，

由图6可以看出刹车片在与刹车盘进行摩擦过程中存在能量消耗，该能量来自机动车辆的动能。机动车制动过程中，动能逐渐转换为摩擦系统产生的热能，从而达到制动目的。图7可以看出系统能也说明了由于摩擦进行的能量损量是减小的过程，失

。

4结论

通过应用Abaqus有限元分析软件对刹车盘进

从后处理中得到刹车盘的静态接触行热应力分析，

压应力和产生摩擦时的热应力云图，得出温度对刹为刹车系统的车盘产生热应力有较大影响的结论，

参数计算和设计提供有力的数值依据，具有一定的工程参考价值。

参考文献

［1］吴萌岭．准高速客车制动盘温度场及应力场的计算与

J］．铁道车辆，1995，33(10)分析［

［2］M］．北京:清华大学出版曾攀．有限元分析基础教程［

2009社，

［3］王文静．SiCp/A356复合材料制动盘温度场应力场数

D］．北京交通大学，2003值模拟及热疲劳寿命预测［

作者简介：冯世波(1965－)，男，贵州大学在职研究生，从事

设计与制造工作。

收稿日期：2013－5－22