基于Ansys WB耦合場瞬態模塊的熱-力耦合分析

1、引言

熱-力耦合分析根據其耦合的方式一般分為順序耦合和完全耦合；順序耦合是單向的，如已知溫度計算結構體的變形、應力、應變等；而完全耦合是雙向的，如剎車盤制動過程，盤片與摩擦片的摩擦生熱，熱又導致盤片變形，變形的盤片進一步影響盤片和摩擦片的接觸關系，又進一步的影響摩擦生熱，即力→熱→力→......熱力雙向耦合。

隨著Workbench軟件的更新，再2020以后的版本中加入了耦合場分析模塊，無論是順序耦合和完全耦合，均不需要插入命令流，大大簡化了分析流程。本文采用耦合場瞬態模塊進行完全熱-力耦合分析。

圖1 WB耦合場模塊

2、三維模型搭建與網格劃分

利用solidworks對剎車盤進行三維模型的搭建，摩擦片距剎車盤預定距離為1mm，如圖2所示，導入Hypermesh中進行幾何清理（將小孔、窄邊等進行優化）和網格劃分，如圖3所示，值得注意的是WB對.inp格式（Abaqus）的網格兼容性較好，因此Hypermesh導出網格類型為Abaqus的.inp文件。在這里不再過多的介紹前處理部分，主要針對耦合場的搭建與分析。

圖2剎車盤三維模型	圖3 剎車盤網格劃分

3、耦合場分析搭建

從外部導入.inp網格文件，搭建分析流程，如圖4所示。

圖4 分析流程搭建

3.1 材料定義

材料屬性的定義，參考論文[1]所給出的參數，如下表所示。

對于熱力耦合分析，比熱容、線膨脹系數、熱傳導系數是三個必要的熱力學參數。

3.2接觸條件設置

圖5 接觸設置

利用運動副中的回轉條件來約束剎車盤轉動，這里需要注意的是：參考坐標系的Z軸必須為旋轉軸，以便后續的轉動副荷載的施加（轉動副荷載施加的默認方向為繞Z軸的旋轉），剎車盤與摩擦片為摩擦接觸，摩擦系數設置為0.35。

3.3 約束與加載設置

目前，大多數的網上教程主要有先壓后轉和先轉后壓，由于沒有考慮汽車慣性力矩的影響，無法很好的還原真實的制動過程，本文通過剎車盤轉速的變化來仿真制動過程，因此可以建立3個分析步，分析步1：剎車盤從靜止旋轉到指定轉速；分析步2：對摩擦片加壓，同時剎車盤轉速下降；分析步3：摩擦片加壓完畢后，剎車盤轉速持續下降的過程。本文模擬汽車從120km/h制動到60km/h，車輪尺寸為R17，計算可得120km/h時，輪胎轉速為480rpm，60km/h時為240rpm。假設，摩擦片施壓時間為0.2s，整個制動時間為0.6s。由于不考慮剎車盤從靜止旋轉到480rpm的過程，同時保證模型的收斂，假設剎車盤從靜止旋轉到480rpm所用時間為0.4s，因此整個分析過程為1s。該過程可采用旋轉副荷載中的旋轉速度進行設置。

圖6 剎車盤轉速變化設置
圖7 摩擦片約束（x方向為施壓方向）

摩擦片在整過程中只有一個方向的運動自由度，因此可以利用遠程位移對摩擦片進行約束，如圖7所示。由于分析步1中，在摩擦片x方向并未施加任何力與位移條件，處于“懸空”狀態，為保證收斂，在分析設置中打開“弱彈簧”選項。兩個摩擦片壓力歷程曲線如圖8所示.

圖8 摩擦片壓力歷程

最后，加入一個溫度邊界條件，由于汽車在運動過程中，與空氣對流強制換熱，空氣強制對流系數在100W/ (㎡·K)左右，因此添加對流邊界條件，對流系數設置100W/ (㎡·K)。

圖9 對流邊界條件的設置（注意單位換算）

整個耦合場加載與邊界條件的設置結束：

圖10 所有加載及邊界條件

4、結果展示

 

 

5、文獻引用

[1]李月明. 接觸方式及接觸面積對制動盤溫度場的影響[D].大連交學,2019.DOI:10.26990/d.cnki.gsltc.2019.000236.