制動盤冷卻的案例
剎車盤怎么冷卻更高效？CFD仿真來教你！
本周我們來聊聊剎車制動盤冷卻的CFD分析。
首先來了解一下汽車的剎車制動系統(tǒng)，一般制動方式可以分為鼓式制動和盤式制動。
鼓式制動是通過液壓裝置將剎車鼓內的剎車片往外推，使剎車片與剎車鼓之間形成摩擦產生制動效果。其特點是成本低，工作可靠，制動力大，但是散熱較差，抗熱衰退性較弱。目前主要應用在入門級車的后輪制動器，更多的是應用于商用車領域。盤式制動如下圖所示，通過卡鉗將剎車片壓緊制動盤，靠剎車片與制動盤之間的摩擦來實現(xiàn)制動。它的特點是成本較高，散熱好，抗熱衰退性強，制動效果好，目前乘用車基本采用的是這種盤式制動。
根據(jù)散熱性能要求的不同，盤式制動還可以分為普通的盤式制動，通風盤式制動和打孔通風盤式制動。普通盤式制動，即沒有通風結構，通常會布置在后制動器上。通風盤式制動，即在普通盤式制動基礎上增加了通風結構，散熱更好，是目前最常見的制動盤形式。而對于一些高性能的跑車，在通風盤基礎上還會增加很多通風孔，進一步提高它的冷卻效果。
保時捷911上的打孔通風制動盤
說完結構原理和分類，我們就要談談什么是制動器的熱衰退性。簡單一些來說，就是溫度升高后制動摩擦副的摩擦系數(shù)會降低，制動性能會下降。所以如果一個制動系統(tǒng)的散熱比較好，長時間制動后摩擦副的溫度也不高，那么我們就說這個制動器的抗熱衰退性能較好。
為了提高制動系統(tǒng)的抗熱衰退性，就需要對制動盤進行散熱，有研究表明，制動盤冷卻過程中，有90%的熱量是通過熱對流形式的帶走的，通過熱輻射帶走的熱量則不到10%。因此對制動盤進行合理的設計，組織制動盤周圍氣流，加強其對流散熱能力，是提高制動器制動性能的重要方法。
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制動盤采用中性軸算法進行網(wǎng)格劃分。
求解器：
隱式溫度-位移耦合；打開幾何非線性開關
三種情況下打開非線性開關：幾何非線性（大變形）；材料非線性（非線性材料）；邊界非線性/狀態(tài)非線性（接觸）。
最大增量步數(shù)：1000；最大溫度變化范圍：10℃。
連接關系構建：
定義切向接觸的摩擦系數(shù)：0.1；法向接觸默認硬接觸；摩擦生熱的轉換系數(shù)默認為1。
主從面接觸選擇原則：主面選擇大面，從面選擇小面。
接觸狀態(tài)為正接觸。
約束：創(chuàng)建一個中心參考點并與制動盤的內孔面創(chuàng)建coupling耦合約束以此來實現(xiàn)后續(xù)制動盤轉動的定義。
邊界條件設定：
1.位移邊界條件：制動盤的轉動
2.載荷邊界條件：制動片對制動盤的壓力
3.預定義邊界條件：制動片與制動盤的初始溫度的設定
制動盤的溫度云圖
制動片的溫度云圖
下一帖預告：軋制/旋壓仿真。
展開 Fluent 滑移網(wǎng)格+高鐵制動盤制動過程散熱仿真(一)
本案例對高鐵緊急制動時的制動盤溫度場和速度場進行了仿真計算。由于涉及到傳熱、滑移網(wǎng)格之類的仿真計算，整個計算流程與計算模型十分復雜繁瑣。上一節(jié)已經展開了動網(wǎng)格制動盤散熱過程的教學，因此本節(jié)展開滑移網(wǎng)格的耦合教學。
1 workbench 設置
本案例分為三個模塊，其中分別是滑移網(wǎng)格運動區(qū)域，固體結構和外部靜止域。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
與Fluent 動網(wǎng)格+高鐵制動盤制動過程仿真(一)一致，因此不做過多闡述：
固體域區(qū)域需要注意，各部分命名如下圖：
2.2 網(wǎng)格設置
采用Fluent meshing進行網(wǎng)格劃分，增加固體域網(wǎng)格劃分，不做過多闡述：
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網(wǎng)格導入
首先導入網(wǎng)格，由于是三部分網(wǎng)格，因此需要通過附加case的方式，將其余兩部分網(wǎng)格導入，然后勾選穩(wěn)態(tài)計算，具體設置如下圖所示。
展開 32 Fluent實用案例 | 動網(wǎng)格高鐵制動盤制動過程仿真
本案例對高鐵緊急制動時的制動盤溫度場和速度場進行了仿真計算。由于涉及到傳熱、動網(wǎng)格之類的仿真計算，整個計算流程與計算模型十分復雜繁瑣。因此在設計本案例的教學推文時，本節(jié)僅對制動盤的制動過程進行仿真計算教學。待大家掌握動網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格兩種制動過程的仿真之后，再分別展開熱仿真的耦合教學。本案例采用800mm的車輪，600mm的制動盤，以100m/s的速度、5m/s^2的制動加速度為計算工況，展開了相對應的制動過程仿真計算。
1 workbench 設置
本案例具體設置如下圖，由于幾何較為復雜，因此首先在a中對車輪與制動盤進行了建模，然后分別劃分平移運動區(qū)域、旋轉運動區(qū)域和靜止域。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
本案例幾何結構比較復雜，首先是制動盤區(qū)域，具體的幾何結構如下圖所示，作為旋轉域，給予1000mm的圓柱體 。具體的幾何模型與邊界條件如下所示：
其次是平移區(qū)域。幾何結構如下圖所示，該部分比較簡單，主要是用于制動過程的模擬 。具體的幾何模型與邊界條件如下所示：
靜止域幾何結構如下圖所示，為長方體流體域 。具體的幾何模型與邊界條件如下所示：
2.2 網(wǎng)格設置
采用 Fluent meshing 進行網(wǎng)格劃分，除去層鋪區(qū)域，其他區(qū)域采用多面體網(wǎng)格劃分。
展開 
33 Fluent實用案例 | 動網(wǎng)格高鐵制動盤制動過程散熱仿真
3.5 interface設置
由于是多個域組成，因此需要通過interface將各個區(qū)域連接起來，具體設置如下圖：
3.6 動網(wǎng)格設置
本案例最重要的便是動網(wǎng)格的設置，增加了固體域的動網(wǎng)格設置，具體設置如下圖：
熱通量設置如下：
3.7 初始化設置
首先進行標準初始化設置，具體設置如下圖：
3.8 計算設置
此處進行的計算設置如下：
4 后處理結果
4.1 后處理結果
對制動過程的云圖進行初步繪制，截面速度云圖如下所示：
制動過程中的制動盤溫度云圖動畫結果如下所示 ： 制 動過程中的制動盤溫度（邊界值）動畫結果如下所示：
34 Fluent實用案例 | 滑移網(wǎng)格高鐵制動盤制動過程散熱仿真
本案例對高鐵緊急制動時的制動盤溫度場和速度場進行了仿真計算。由于涉及到傳熱、滑移網(wǎng)格之類的仿真計算，整個計算流程與計算模型十分復雜繁瑣。上一節(jié)已經展開了動網(wǎng)格制動盤散熱過程的教學，因此本節(jié)展開滑移網(wǎng)格的耦合教學。
1 workbench 設置
本案例分為三個模塊，其中分別是滑移網(wǎng)格運動區(qū)域，固體結構和外部靜止域。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
與 Fluent 動網(wǎng)格+高鐵制動盤制動過程仿真(一) 一致，因此不做過多闡述：
固體域區(qū)域需要注意，各部分命名如下圖：
2.2 網(wǎng)格設置
采用Fluent meshing進行網(wǎng)格劃分，增加固體域網(wǎng)格劃分，不做過多闡述：
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網(wǎng)格導入
首先導入網(wǎng)格，由于是三部分網(wǎng)格，因此需要通過附加case的方式，將其余兩部分網(wǎng)格導入，然后勾選穩(wěn)態(tài)計算，具體設置如下圖所示。
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基于ABAQUS剎車盤制動熱應力分析
本案例目的在于如何在ABAQUS中實現(xiàn)剎車盤制動熱應力簡單仿真分析，類似的案例在技術鄰中有不少，寫這個帖子的目的在于討論整個仿真過程中遇到的問題以及如何去解決。本案例的幾個難點：材料參數(shù)的設置，約束和加載，接觸的定義。在這里重點討論接觸的定義，以及在接觸設置中存在的問題。
本案例的討論將持續(xù)完善！對本案例感興趣的朋友，麻煩點個贊，并在下方留下你的郵箱，集滿40個贊，模型將統(tǒng)一發(fā)到各位的郵箱，謝謝！
ABAQUS中B31焊點創(chuàng)建：紅色圓圈處是為了創(chuàng)建的焊點（首先沿著B31單元的方向，在最近的殼單元上獲得一個投影點（projectpoint);然后在投影點與B31單元的節(jié)點之間通過一個剛性梁單元(rigidbeam)連接，從而將投影點的位移、力和力矩傳遞到B31單元的節(jié)點。）
幾種焊點分析對比：
展開 Hypermesh聯(lián)合LS-dyna剎車制動盤仿真分析
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(xiàn)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
展開 使用Abaqus完成剎車盤制動嘯叫分析
來看看Abaqus這個案例的模型：
畢竟是剎車盤嘛，長得肯定都差不多。但我覺得Abaqus這個模型確實要比ANSYS家那個模型更接近實際一點。事實也的確如此，這個模型是TRW，天合汽車集團一款真實的盤式制動器的簡化版本。
SIMULIA還在案例文檔里給了個鳴謝。
好，下面正式開始。
剎車片本體使用了各向異性的有機摩擦材料。各向異性材料意思就是彈性系數(shù)矩陣D的每一項都可以自己定義。前面幾項參數(shù)如圖所示，后面的……看inp文件吧。
剎車盤轉子材料為鑄鐵，其他零件材料為結構鋼。這些都沒啥好說的。
單元類型為C3D6和C3D8I。這個I代表非協(xié)調模式。總之是一階六面體單元為主。
接下來定義接觸。Abaqus讀取inp文件的時候提示錯誤，接觸對沒有正確導入。不過沒關系，這個模型的接觸對不算太多。正好學習一下接觸對定義的關鍵字。
在*CONTACT PAIR關鍵字下，第一個寫出的是從表面，第二個是主表面（這和我直覺猜測相反啊）。所以我們據(jù)此定義接觸對即可。一共四個，都是產生嘯叫的滑動摩擦，兩個在正面兩個在背面。
——為啥每一面有兩個接觸對呢？因為，您看這俯視圖，它剎車片就有前后兩個部分~
接下來是邊界條件定義。
剎車片的兩側耳朵處約束x和y方向位移（放開指向剎車盤方向的位移自由度）；
剎車片上施加大小為500的均布壓強（注意這個模型的單位制，質量是kg，長度單位是mm，算起來壓力單位應該是kPa。即0.5MPa）
第一個分析步，剎車片和剎車盤之間沒有摩擦力，只是為了讓它們之間建立接觸。
而第二個分析步，inp文件中使用了*CHANGEFRICTION關鍵字來改變摩擦系數(shù)，改為0.3。
展開 
多盤制動器的摩擦分析
最近小弟正用ansys做一個多盤制動器的摩擦分析，多盤制動器的結構和離合器的差不多，我做的是三組轉動盤和四組定盤構成6對摩擦副，相互擠壓通過動盤于定盤間的摩擦實現(xiàn)制動。由于摩擦副太多，要是用三維模型分析的話計算量太大，模型也較為復雜，看過一篇博士論文也做的相類似的制動器，他采用熱機耦合的軸對稱單元plane13，進行了熱機分析，可小弟我怎么也做不出來，無法施加繞對稱軸y軸的轉動。希望得到高人指點。附上我做的6對摩擦副的接觸壓力分布圖。先謝了！
附件地址：http://download.caenet.cn/ShowInfoDetail.aspx?ID=7801
展開 鉗式盤形制動器的多目標可靠性優(yōu)化設計
鉗式盤形制動器的多目標可靠性優(yōu)化設計
基于Deform-3D的制動盤轂工藝分析
制動盤轂是高速列車上的重要零件，是典型的薄壁、寬徑、深孔類復雜鍛件。利用Deform-3D模擬軟件對制動盤轂進行數(shù)值模擬，對成形過程的速度場、溫度場、應力場、應變場及打擊力進行了分析，揭示了盤轂鍛造過程的成形規(guī)律。模擬結果表明，盤轂通過擠壓的方式成形，連皮處溫度下降嚴重，也是變形抗力最大的位置，最終成形結果良好，工藝方案及設備選型合理。
制動盤轂是高速列車制動系統(tǒng)的關鍵零部件，直接影響著高速列車的運行品質和行車安全。制動盤轂毛坯圖如圖1所示，材質為德國牌號C45E鋼，其最大外徑為332mm，最小壁厚為25.5mm，高度為156mm，是典型的薄壁、寬徑、深孔類鍛件。由于盤轂零件外形尺寸較為復雜，傳統(tǒng)的試錯法，會增加制造成本，延長試制周期，因此采用有限元分析技術揭示制動盤轂的成形規(guī)律，對實際生產試制提供指導是十分必要的。
模擬方案制定
根據(jù)我公司現(xiàn)有設備，鍛壓設備選擇8000t螺旋壓力機，由于螺旋壓力機承受偏載的能力差，不能采用預鍛＋終鍛的鍛造方案。設計的鍛造方案為在8000t螺旋壓力機上鐓粗＋終鍛一火次的鍛造方案，采用中頻感應爐進行加熱。由于8000t生產線現(xiàn)有中頻感應器的限制，選用坯料尺寸為φ170mm，坯料加熱溫度為1200℃，模具預熱溫度為200℃，坯料鐓粗至160mm高后放置在終鍛模中心，進行終鍛。
展開 基于ADINA的車輛制動盤TMC分析示例
基于ADINA的車輛制動盤TMC分析示例
計算模型
◇ 車軸、制動盤、預緊螺栓初始轉速300r/min；
◇ 采用1/2對稱模型； ◇ 制動力零時刻加滿；
◇ 轉動系統(tǒng)其它質量采用附加質量單元施加到模型上；
◇ 所有零件初始溫度為30攝氏度；
◇ 所有零件材料強度參數(shù)、熱物理性能參數(shù)隨溫度變化；
◇ 所有零件通過裝配面?zhèn)鬟f接觸力、熱；所有零件接觸傳熱表面定義熱阻；
◇ 采用TMC耦合計算方法；
◇ 前10步結果每步保存，之后每20個計算步保存1次計算結果；
1. 讀入幾何模型；
2. 螺栓body分解；
3. 螺栓劃分單元；
4. copy其它螺栓body，并同時copy網(wǎng)格；
5. 定義軸與車輪的face link；
6. 定義螺栓與制動盤接觸，包括螺栓桿部分；注意事項：摩擦系數(shù)；協(xié)調因子；接觸面?zhèn)鲗禂?shù)(熱阻) 10；
7. 定義閘片和制動盤接觸；注意事項：摩擦系數(shù)；協(xié)調因子；offset=5e-5；接觸面?zhèn)鲗禂?shù)1；
8. 定義制動盤與車輪接觸；注意事項：摩擦系數(shù)；協(xié)調因子；接觸面?zhèn)鲗禂?shù)10；
9. 定義單元組并劃分網(wǎng)格；
10. 定義載荷和約束；注意事項：軸心約束；對稱面約束；閘片約束；
11. 定義集中質量1 ton、初始轉速31.42 rad/s；
12. 定義TMC分析的設置，注意溫度場積分格式選擇Trapezoidal Rule；
13. 定義時間步；0.002s,10000步；
14. 定義結果輸出；每隔20步輸出結果；
15.
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