馬亮學(xué)年論文初稿

1、學(xué)校代碼： 10128 學(xué) 號：201320907041 學(xué)年論文題 目：熱結(jié)構(gòu)耦合分析問題學(xué)生姓名：馬亮學(xué) 院：理學(xué)院系 別：力學(xué)系專 業(yè)：工程力學(xué)班 級：力學(xué)13-2指導(dǎo)教師：李磊 二一六年七月內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)年論文任務(wù)書學(xué)院： 理學(xué)院 班級： 力學(xué)13-2 第 3 學(xué)年學(xué)年論文學(xué)生姓名： 馬亮 學(xué)號： 201320907041 指導(dǎo)教師： 李磊 一、題目惹機構(gòu)耦合分析問題二、目的與意義拓展彈性力學(xué)知識，加強熱應(yīng)力彈性力學(xué)解答和有限元分析能力。三、要求（包括工作目標、工作方式、工作量等） 2016年7月4日到15日，完成學(xué)年論文。查閱至少五篇相關(guān)文獻，介紹不同情況熱結(jié)構(gòu)耦合分析問題。撰寫一

2、篇5000字的論文。四、工作內(nèi)容、進度安排 介紹不同情況熱結(jié)構(gòu)耦合力學(xué)問題：列舉不同情況熱結(jié)構(gòu)耦合有限元分析問題2016.7.4-2016.7.15兩周時間完成學(xué)年論文。五、主要參考文獻相關(guān)專利及文獻彈性力學(xué)，第四版，徐芝輪，高等教育出版社ANSYS12.0入門到精通，機械工業(yè)出版社。審核意見系（教研室）主任（簽字） 指導(dǎo)教師下達時間 年 月 日 指導(dǎo)教師簽字： 摘要 熱結(jié)構(gòu)耦合問題是結(jié)構(gòu)分析中通常遇到的一類耦合分析問題。由于結(jié)構(gòu)溫度場的分布不均會引起結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力，或者結(jié)構(gòu)部件在高溫環(huán)境中工作，材料受到溫度的影響會發(fā)生性能的改變，這些都是進行結(jié)構(gòu)分析時需要考慮的因素。為此需要先進行相應(yīng)的熱分析

3、，然后在進行結(jié)構(gòu)分析。熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱通量）等。關(guān)鍵詞：熱結(jié)構(gòu)耦合，熱應(yīng)力。 目錄引言-1-3力學(xué)理論-4-17ANSYS實例-18-32參考文獻-33心得體會-34引言 目前，歐美等工業(yè)強國非常注重對汽車制動器熱一結(jié)構(gòu)耦合的研究，他們 聚焦于熱彈性失穩(wěn)和制動盤“熱點”的產(chǎn)生機理與臨界條件的分析和制動特性 分析，由此得出對制動器優(yōu)化的方向，諸如，如制動摩擦材料制各，各式各樣的制動盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。 國內(nèi)對制動器的研究起步較晚，理論基礎(chǔ)相對也比較薄弱，理論研究沒有 取得突破性貢獻。對制動器熱一結(jié)構(gòu)耦合這一問題的研究，重點

4、一直聚焦在對 對偶件的溫度場和應(yīng)力場分析。高誠輝等文獻，建立了三維瞬態(tài)有限元模型的熱流密度模型，提出了較為正確的設(shè)定瞬態(tài)溫度場計算模型邊界條件的路線， 通過對不同工況條件下的不同制動參數(shù)的整理歸納，研究了它們對于求解制動 器對偶件溫度場分布的作用；文獻中，建立了非軸對稱的有限元模型，并且綜合考慮移動熱源的速度可變效應(yīng)、伴隨制動過程進行的不斷變化的對流換熱系數(shù)，以此為基礎(chǔ)求解了制動器的溫度場；文獻以對偶件接觸壓力為研究對象，分析出對偶件之間接觸界面上的壓力場特征，研究結(jié)果表明制動接觸壓力在對偶件的接觸區(qū)域之內(nèi)不是均勻分布，壓力場的分布特征影響因素有熱變形、 以及由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及整個制動過程的

5、熱和應(yīng)力耦合特征等等。 呂振華等認為，制動過程并不是一個高度非線性度的過程，于是可以采取間接耦合法進行求解這一過程，他將制動過程劃分為三個步驟，首先求解摩擦生熱，并且得出這一過程當中的熱傳導(dǎo)，接著分析溫度場變化后熱應(yīng)力場變化，宏觀上的表現(xiàn)即為熱變形，最后分析對偶件接觸區(qū)域熱流分配，運用這幾個步驟的迭代，進行熱彈性耦合分析。楊智勇等根據(jù)半軸總成的實物，將其模型簡化，抽象的建立由制動盤、摩擦片和輪轂三個單體組成的接觸彈塑性有限元計算模型，綜合材料在一定的溫度下會產(chǎn)生塑性變形以及對偶件熱傳導(dǎo)的 瞬態(tài)過程這些因素的影響，分析得出摩擦副對偶件的接觸區(qū)域內(nèi)溫度不一致， 局部區(qū)域內(nèi)溫度較高，這直接導(dǎo)致摩擦副

6、對偶件在制動器制動時在接觸區(qū)域的 里面形成斑。趙海燕等對高速制動的工況下制動器對偶件的溫度場進行了數(shù)值分析計算，其建立的有限元模型將摩擦生熱過程進行數(shù)學(xué)描述，提出運用瞬 時移動熱源來作為熱流輸入條件，并且創(chuàng)建了循環(huán)多次連續(xù)制動的工況的有限元計算模型，求解得到了制動盤三維瞬態(tài)溫度場的分布規(guī)律，以及多次連續(xù)制動時制動盤的熱應(yīng)力周期變化狀態(tài)。分析結(jié)果顯示制動盤上每一個與摩擦片可以接觸的點的溫度呈現(xiàn)出周期波動的特征，其隨時間變化的溫度曲線是鋸齒狀 的曲線，由此產(chǎn)生的交變循環(huán)熱載荷的性質(zhì)就變成了熱疲勞載荷。張立軍等叨 以通風(fēng)盤式制動器的模型為原型，在基于制動器臺架試驗的基礎(chǔ)上，對對偶件 的溫度和熱變形之

7、間的關(guān)系進行分析，制動過程中的翹曲現(xiàn)象的產(chǎn)生與制動盤風(fēng)道兩側(cè)的單板厚度差有關(guān)，初始的設(shè)計及制造產(chǎn)生的厚度差，以及制動過程 中的溫升，都會影響制動過程中的單板厚度差，這也說明了制動過程的一個較 為典型的熱一結(jié)構(gòu)耦合問題。他同時還得出結(jié)論，制動盤兩個接觸面的溫升快慢 直接受到對偶件接觸區(qū)域內(nèi)的壓力場分布的影響。 當前，對制動器熱一結(jié)構(gòu)耦合的有限元研究方法沒有統(tǒng)一定論，以往的研究 方法大都運用順序耦合法，就是首先進行溫度場的求解，在以結(jié)算結(jié)果作為輸入載荷，進行應(yīng)力場的求解。制動過程中溫度場和應(yīng)力場是一個高度的非線性 問題，符合進行直接耦合計算的條件，如果應(yīng)用直接耦合的求解方法，不但能避免應(yīng)用順序耦合

8、造成的誤差，還能精簡計算過程，求解結(jié)果精確。 熱結(jié)構(gòu)耦合分析是指求解溫度場對結(jié)構(gòu)中應(yīng)力、應(yīng)變和位移等物理量影響的分析類型。對于熱結(jié)構(gòu)耦合分析，在ANSYS中通常采用順序耦合分析方法，即先進行熱分析求得結(jié)構(gòu)中的溫度場，然后再進行結(jié)構(gòu)分析，且將前面得到的溫度場作為體載荷加到結(jié)構(gòu)中，求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。為此，我們需要先了解熱分析的基本知識，然后在學(xué)習(xí)耦合分析方法 力學(xué)理論 求解盤式制動器制動熱-結(jié)構(gòu)耦合過程所采取的方法主要為間接耦合法， 將在制動過程中因摩擦而產(chǎn)生的熱量計算出來，然后來求解出摩擦界面間輸入的 熱流密度，相當于對整個制動盤施加移動熱源，將其作為熱載荷邊界條件之一。 通常先使用

9、常規(guī)熱單元進行熱分析，得出溫度分布結(jié)果。再將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu) 單元，然后在原來的模型上把節(jié)點的溫度作為體載荷加載到結(jié)構(gòu)分析中，再進行應(yīng)力分析，得到應(yīng)力應(yīng)變場。這種間接耦合計算方法較為簡單，但忽略熱-結(jié)構(gòu) 耦合過程中應(yīng)變和熱變形等因素所帶來的影響，因而計算精度不夠高?，F(xiàn)在多采 用直接耦合的方法來求解此類問題。由盤式制動器的運動特點知，在制動過程中，制動盤與摩擦塊的表面受到周期 性接觸、摩擦，因摩擦產(chǎn)生的熱量以及熱傳導(dǎo)使兩部件的溫度分布不均勻，所以 產(chǎn)生熱變形，也使得溫度場的分布呈現(xiàn)出明顯的局部特征。我們知道，當溫度變 化時，物體因為外界的約束以及內(nèi)部各部分之間的互相約束，使其不能完全自由 膨脹和

10、收縮，所以就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。因為在制動過程中，摩擦塊受金屬背板和制 動盤以及促動裝置的軸向約束，制動盤受摩擦塊和輪轂的軸向約束，并且溫度分 布不均，所以在整個制動過程中就會有很大的熱應(yīng)力產(chǎn)生。 根據(jù)圣維南原理：在結(jié)構(gòu)分析過程中熱載荷和其他機械載荷的作用可以簡 單地線性疊加。對于各向同性材料，熱量變化造成結(jié)構(gòu)均勻變形，由于溫度變化 而引起正應(yīng)變?yōu)椋菏街校?為線性膨脹系數(shù)； T 為溫度的變化量。在結(jié)構(gòu)分析問題中，熱應(yīng)變與其他應(yīng)變進行疊加，因此在盤式制動器熱機耦 合分析中，盤與塊的總應(yīng)變可表示為： 式中： 為其他載荷產(chǎn)生的應(yīng)變。 由應(yīng)力與應(yīng)變張量之間線彈性本構(gòu)關(guān)系知，應(yīng)力 與應(yīng)變之間關(guān)系為)式中：D為

11、材料彈性矩陣。 電動汽車盤式制動器摩擦生熱導(dǎo)致接觸界面發(fā)生熱彈性變形，致使接觸界面 發(fā)生壓力變化，而壓力變化又進一步影響摩擦界面熱流分布，其熱-結(jié)構(gòu)耦合分析 關(guān)系如圖 2.2 所示。由于制動器的工作過程屬于熱-結(jié)構(gòu)耦合過程，應(yīng)力場與溫度場相互影響。如 果采用順序耦合法進行分析的話，很難得到較高精度的結(jié)果。當溫度變化時，物體結(jié)構(gòu)由于熱脹冷縮作用會發(fā)生熱變形，結(jié)構(gòu)熱變形也在隨時影響熱邊界條件。 現(xiàn)在常用的精度較高的求解方法是熱-結(jié)構(gòu)耦合的方法。這種方法同時進行力平衡 方程和熱傳導(dǎo)方程迭代求解。 在 ABAQUS 軟件中，主要采用以下幾種算法：一、歐拉方程法；二、總體的 拉格朗日法；三、更新的拉格朗

12、日法?？傮w的拉格朗日法以 時刻的構(gòu)形作為 參照構(gòu)形，應(yīng)力、應(yīng)變主要采用Kirchof 應(yīng)力和參照初始構(gòu)形定義的Green應(yīng)變來 描述；更新的拉格朗日法在計算 ， 區(qū)間內(nèi)的所有變量時，以t 時刻的構(gòu)形為參照。在 ABAUQS 中，主要應(yīng)用更新的拉格朗日法來求解熱-結(jié)構(gòu)耦合問題。 對于體積為V ，邊界為S 的連續(xù)介質(zhì)，由導(dǎo)熱微分方程可得到其能量守恒方程 為： 如果不考慮慣性的影響，上式中的第二項可以忽略。假定物體的力平衡 方程和能量方程都建立在當前的模型上，那么可用弱耦合非線性增量有限單元法來分析熱-結(jié)構(gòu)耦合問題聯(lián)立，可得到熱結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場的有限元方程采用拉格朗日法求解熱分析是 A

13、NSYS 軟件的一個很重要的功能，主要用于計算一個系統(tǒng)或部件的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布及其他熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度等。 ANSYS10.0 熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射 3 種熱傳遞方式，此外還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。 （1）熱傳導(dǎo)。物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)，又分為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是指物體的溫度不隨時間變化的導(dǎo)熱過程，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是指物體的溫度隨時 間變化的導(dǎo)熱過程。 熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律28：溫度場內(nèi)任一點的熱流密度，其方向與溫度梯度方向 相反，大小等于材料導(dǎo)熱系數(shù)

14、與溫度梯度的乘積。 式中， f h 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，Ts 為固體表面的溫度， Tb為周圍流的溫度（3）熱輻射。熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷?換過程。物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。 熱分析要遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。即對于一個沒有質(zhì)量交換的封 閉系統(tǒng)滿足 式中，Q為熱量，W 為做功， U 為系統(tǒng)熱力學(xué)能， KE 為系統(tǒng)動能， PE 為 系統(tǒng)勢能。對于大多數(shù)工程傳熱問題： 耦合場分析是指在有限元分析的過程中考慮了兩種或者多種工程學(xué)科（物理場） 的交叉作用和相互影響（耦合）。在 ANSYS 中能夠進行的熱耦合分析包括：熱結(jié) 構(gòu)耦合、熱流體耦合、熱電耦合、

15、熱磁耦合、熱電磁結(jié)構(gòu)耦合等。 在 ANSYS 中通?？梢杂脙煞N方法來進行耦合分析，一種是順序耦合方法，另一 種是直接耦合方法。 順序耦合方法包括兩個或多個按一定順序排列的分析，每一種屬于某一物理分析。通過將前一個分析的結(jié)果作為載荷施加到下一個分析中的方式進行耦合。典型的 例子就是熱應(yīng)力耦合分析，將熱分析中得到節(jié)點溫度作為“體載荷”施加到隨后的結(jié) 構(gòu)分析中去。直接耦合方法只包含一個分析，它使用包含多場自由度的耦合單元。通過計算包含所需物理量的單元矩陣或載荷向量矩陣或載荷向量的方式進行耦合。典型的例子是 使用 SOLID45、PLANE13 或 SOLID98 單元進行的壓電分析。進行順序耦合場分

16、析可以使用間接法和物理環(huán)境法。間接法使用不同的數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件，每個數(shù)據(jù)庫包含合適的實體模型、單元、載荷等?？梢园岩粋€結(jié)果文件讀入到另一個數(shù)據(jù)庫中，但單元和節(jié)點數(shù)量編號在數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件中必須是相同的。物理環(huán)境方法的整個模型使用一個數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中必須包含所有的物理分析所需的節(jié)點和單元。對于每個單元或?qū)嶓w模型圖元，必須定義一套屬性編號，包括單元類型號、材料編號、實常數(shù)編號及單元坐標編號。所有這些編號在所有物理分析中是不變 的。但在每個物理環(huán)境中，每個編號對應(yīng)的實際的屬性是不同的。 對于本文要使用的熱結(jié)構(gòu)耦合分析，通常采用間接法順序耦合分析的方法，其數(shù)據(jù)流程如圖 3-1 所示。 在大部分工程應(yīng)用

17、中，熱分析得到的溫度對結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)變和應(yīng)力有顯著的影響，但結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對熱分析結(jié)果沒有很大的影響，故可以應(yīng)用間接耦合分析方法對其 進行分析。因為熱-應(yīng)力分析只涉及到兩個場之間的連續(xù)作用，所以本文的分析中采用手工方法進行順序耦合，而不必使用相對復(fù)雜的物理環(huán)境方法熱一結(jié)構(gòu)耦合分析是指求解溫度場對結(jié)構(gòu)中應(yīng)力、應(yīng)變和位移等物理量影響的分析類型。而熱一結(jié)構(gòu)耦合問題的結(jié)構(gòu)分析時需要考慮很多因素，包括因溫度場分布不均引起的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力、材料在高溫環(huán)境中時因溫度影響發(fā)生的性能的改變等。所以在進行結(jié)構(gòu)分析前，需要先進行對應(yīng)的熱分析，即計算一個系統(tǒng)或者部分機構(gòu)的溫度分布以及其他的如熱梯度和熱流密度等熱物理參數(shù)。隨著A

18、NSYS等分析熱一結(jié)構(gòu)耦合問題的軟件的發(fā)展與完善，熱一結(jié)構(gòu)耦合的分析方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于溫度場和應(yīng)力場同時對結(jié)構(gòu)有影響的場合。如張小嬋以某風(fēng)電齒輪箱為分析目標，建立三維模型，利用集中參數(shù)法計算出熱量、熱流等，加載到MATLAB軟件與ANSYS軟件分別進行熱分析，相互之間驗證結(jié)果的準確性，再返回到ANSYS軟件直接耦合分析，得出箱體變形的具體數(shù)值；鮑久圣以某盤式制動器為研究目標，通過摩擦實驗得出不同制動速度等工況下材料的穩(wěn)定性及溫升等規(guī)律，深入地研究了摩擦熱的產(chǎn)生機 理以及熱流分配，在仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際摩擦材料的微觀觀察探究摩擦機型。蔡靜采用有限元法對制動器工作過程中制動盤與摩擦片間的熱一結(jié)構(gòu)

19、耦合現(xiàn)象進行了仿真分析，并對制動器其他主要部件進行了強度與剛度校核李涵武、 杜宏磊、 趙雨腸采用有限元分析法對汽車鼓式制動器制動鼓進行了熱一結(jié)構(gòu)耦合分析，建立了制動鼓的有限元模型并應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對模型分別進行穩(wěn)態(tài)熱分析和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析；何俊、賴玉活、羅錫榮、羅曉龍、房學(xué)明利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對數(shù)控車床主軸系統(tǒng)進行熱一結(jié)構(gòu)耦合分析，得到主軸系統(tǒng)的溫度場分布和熱變形，并通過實驗驗證模型的正確性。通過對以上文獻資料分析，可以看出熱一結(jié)構(gòu)耦合分析在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)分析中已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用，但是其主要應(yīng)用于齒輪箱、汽車制動系統(tǒng)等常見高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)分析，還沒有

20、出現(xiàn)應(yīng)用于高溫夾緊機構(gòu)的熱一結(jié)構(gòu)耦合分析，因此在夾緊機構(gòu)設(shè)計中引入熱一結(jié)構(gòu)耦合分析方法具有重要的意義。熱量傳遞是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象，不同條件下傳遞的原理不同。由于物體中熱量的傳遞跟物體的溫度分布有關(guān)，所以研究熱量傳遞通常轉(zhuǎn)換為研究物體的溫度場。在傳熱學(xué)中，一般把物體當作一種無間隙的連續(xù)體看待，而不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。熱量傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，在大部分情況下，熱傳遞是以三種方式組合出現(xiàn)4243。熱傳導(dǎo)是指熱量從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式。熱傳導(dǎo)本質(zhì)是由于物體內(nèi)部分子熱運動，而使能量從高溫物體傳給低溫物體，或由物體的高溫部分傳至低溫部分的過程阻3|。熱傳

21、導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式，在氣體或液體中，熱傳導(dǎo)過程往往和對流同時發(fā)生。熱傳導(dǎo)性能因物體材料屬性的不同也基本不相同，通常情況下金屬都是熱的良導(dǎo)體，木材、羽毛、毛皮、玻璃、棉毛制品以及氣體和液體都是熱的不良導(dǎo)體，石棉常被作為絕熱材料，因為石棉的熱傳導(dǎo)性能非常差。熱對流是指液體或氣體中溫度不同的部分之間通過循環(huán)流動使各部分溫度逐漸相同的過程。對流是液體和氣體中熱傳遞的獨有的方式，特別是在是氣體當中。對流一般又可以分為自然對流和強迫對流兩種。自然對流是由于溫度不均勻而自然引起的。強迫對流是由于外界的影響對流體攪拌而強迫流體形成的。對流傳熱的效率和流體的流動速度成正相關(guān)性。熱輻射是物體因自身的溫度而

22、具有的向外發(fā)射熱量的本領(lǐng)。熱輻射和熱傳導(dǎo)、熱對流之間最大的不同在于它不用依靠媒介就能直接從一個系統(tǒng)向另一系統(tǒng)傳遞熱量。熱輻射以電磁波的形式向外發(fā)出能量，輻射強度和溫度相關(guān)，溫度越高，輻射越強。當兩個系統(tǒng)距離很遠時熱輻射會成為傳熱的主要方式，如太陽的熱量就是以熱輻射的形式傳給地球的ANSYS后處理有通用后處理(POSTl)和時間歷程后處理(POST26)，通用后處理常用于模型靜態(tài)分析中節(jié)點力關(guān)系、位移關(guān)系等，也可以用于瞬態(tài)分析中某固定時間點的節(jié)點狀態(tài)；時間歷程后處理常應(yīng)用與模型中某參數(shù)與時間的關(guān)系，如加速度一時間、位移一時間。同時，兩種后處理程序不僅能直接讀出分析節(jié)點的結(jié)果，拍能依據(jù)節(jié)點結(jié)果派生

23、出相關(guān)結(jié)果，如：應(yīng)變、熱梯度。ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的步驟是構(gòu)建有限元模型、施加載荷、求解與后處理，具體介紹如下：1構(gòu)建有限元模型。構(gòu)建有限元模型一般先創(chuàng)建幾何模型，該過程可以用其他模型創(chuàng)建軟件創(chuàng)建后再導(dǎo)入ANSYS中，然后再設(shè)置單元類型，并設(shè)定單元選項。選項設(shè)定后再定義單元的實常數(shù)，然后設(shè)置材料屬性，最后選擇合適的網(wǎng)格劃分單元。2施加載荷。第一步先定義熱分析類型，然后施加相應(yīng)的溫度、對流、熱流密度等載荷類型。3求解。求解過程中，一般還需設(shè)定如下載荷選項： (1)TimeRequency選項； (2)非線性選項； (3)輸出控制選項。4后處理。對于穩(wěn)態(tài)熱分析，一般考慮使用POSTI進行后處理。其

24、過程為將ANSYS熱分析的結(jié)果寫入nh文件中，這些文件包含有節(jié)點單元的熱流密度、節(jié)點溫度、節(jié)點及單元的熱梯度、單元熱流率等基本數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。顯示結(jié)果的方式可以是矢量圖、列表、彩色云圖。在熱分析的基礎(chǔ)上，然后進行熱一結(jié)構(gòu)藕合分析，一般分為如下幾步：1在前處理器中用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元代替熱單元；2定義以下材料屬性，包括泊松比、彈性模量、線膨脹系數(shù)等；3將熱分析結(jié)果作為載荷導(dǎo)入系統(tǒng)，同時加載相應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力；4指定需要的參考溫度；5求解及后處理ANSYS實例選用鋁合金是類似于ZLl08，但是為了增加界面反應(yīng)需要提高合金中Mg的含量，使用合金的成分 為12Si，15Cu，15Mg(ZLl08中Mg為O7)

25、， 06Mn。AI余量。由于剎車盤是幾何對稱圖形。為了節(jié)約計算時間。 本文只選取剎車盤的截面的一半進行計算選用 PLANEl3熱結(jié)構(gòu)耦合單元。為了簡化模型，將凹模的冷卻裝置簡化為矩形從模型的散熱面積來看簡化的模型 與原模型的散熱效果差不多。所以基本上不會影響計算結(jié)果。模型不是規(guī)則的基本幾何圖形。所以在ANSYS 中的建模采取點一線一面的建模順序建立的模型如圖1所示。然后分配材料劃分網(wǎng)格得到有限元模型。 12約束和邊界條件(1)位移約束，由于該分析是熱結(jié)構(gòu)耦合分析，所 以要對模型施加位移約束本文在圖1中 的AB邊施加對稱邊界條件，在BC邊施 加y方向的位移約束。(2)溫度初始條 件，模具初始溫度

26、和剎車盤初始溫度。 (3)導(dǎo)熱對流邊 圖1剎車盤成形的幾何模型 界條件在圖1中的邊BC、CD、DE以及凸、凹模冷卻管道的內(nèi)壁施加導(dǎo)熱對流邊界條件冷卻水與模具的換熱系數(shù)為1000W(m2·)；在FG、GH和HI邊施加導(dǎo)熱對流邊界條件，空氣與模具的換熱系數(shù)為65W(m2·)，空氣溫度為25 在剎車盤成形中的溫度參數(shù)對于剎車盤質(zhì)量和模具使用壽命有很大的影響，這些溫度參數(shù)包括澆注溫度、模具預(yù)熱溫度、冷卻水溫度，這三個因素直接影響到模 具的溫度場分布。生產(chǎn)實踐表明，模具溫差越大模具產(chǎn)生的熱應(yīng)力就會越大就會縮短模具的使用壽命，增 加生產(chǎn)成本。因此，采取有效的方式縮小模具的溫度差 是增加

27、模具壽命的有效措施，為了考察以上三個因素對模具溫度場分布的影響程度的大小。在其它條件相同的 基礎(chǔ)上制定了三因素三水平的正交實驗方案，來探討不同的溫度參數(shù)對于模具溫度場的影響。以改善和優(yōu)化溫 度參數(shù)。溫度參數(shù)正交實驗方案采用L9(3*3*3)正交表(不考慮因素間交互作用)來安排，實驗考核指標為模 具的溫度差。正交實驗研究的溫度參數(shù)包括澆注溫度7100C、 7300C、750，模具預(yù)熱溫度1500C、1800C、200冷卻水溫度30、40、50，具體的實驗方案見表1。用ANSYS分別計算了各個方案的溫度場，得出了模 具的溫度差。限于篇幅本文不再把各個方案的ANSYS結(jié) 果用圖片表示而將模具溫度差和

28、正交實驗結(jié)果列于表2。極差R不同說明各因素的水平改變對實驗結(jié)果的影響程度不同，極差越大，表示該列因素的數(shù)值在實驗范圍內(nèi)的變化，會導(dǎo)致實驗指標在數(shù)值上有更大的變化， 所以極差越大的那一列。就是因素的水平對實驗結(jié)果影 響最大的因素，也就是最大因素。因此從表2中可以看出，R>R。>，各因素從主到次的順序為：A(澆注溫度)>B(模具溫度)>c(冷卻水溫度)。 實驗過程中，實驗考核的指標是溫度差，指標越小越好，所以應(yīng)挑選每種因素K。，K2，K3(或k。，k：，k3) 中最小的值對應(yīng)的那個水平，所以得出的溫度參數(shù)的最優(yōu)方案為A，B。C3，即澆注溫度710，模具溫度150。C， 冷卻

29、水溫度50。根據(jù)以上的正交實驗的結(jié)果最佳的溫度參數(shù)為澆 注溫度7100C、模具預(yù)熱溫度150。C、冷卻水溫度50。 將以上溫度參數(shù)用ANSYS模擬成形過程的溫度場結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2所示的溫度場。計算15s時的模具最高溫度和最低溫度的差為2177260C。該值與表4中的各個 實驗方案結(jié)果溫差相比為最小值。從而也說明了正交實驗的正確性。 由圖2知。在生產(chǎn)過程中模具由于存在溫度梯度， 所以模具會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而剎車盤毛坯則由于溫度梯度較小不會產(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力。所以本文不討論 剎車盤上的熱應(yīng)力而只討論模具上的熱應(yīng)力。根據(jù)模擬結(jié)果在15s時模具的熱應(yīng)力如圖3所示。 根據(jù)圖3的應(yīng)力場。我們可以看

30、出模具在使用過程中會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的最大值為510Mpa， 小于許用應(yīng)力550Mpa。隨著模具的冷卻模具的熟應(yīng)力 也會逐步降低，但是由于生產(chǎn)的不斷進行。模具的熱應(yīng) 力也會不斷積累。因此。要在投產(chǎn)l萬次后應(yīng)進行去應(yīng) 力退火。且以后每生產(chǎn)3萬次要進行一次去應(yīng)力退火。為了保證鑄件毛坯的尺寸精度在生產(chǎn)中模具的變 形應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)本模具允許的變形是008mm。在15s時剎車盤毛坯和模具的變形量如圖4所示。 根據(jù)圖4所示的變形圖我們可以看出剎車盤的變形量最小。介于0-008mm之間在變形允許的范圍之內(nèi)， 符合要求。車盤成形的最佳溫度參數(shù)。根據(jù)最佳溫度參數(shù)用ANSYS 計算了剎車盤成形過程的溫

31、度場，表明剎車盤的溫差較小溫度比較均勻，不會出現(xiàn)熱應(yīng)力。但是模具溫差較大存在較大熱應(yīng)力最大熱應(yīng)力為510Mpa，隨著生產(chǎn)的進 行熱應(yīng)力會不斷積累。因此在生產(chǎn)一段時間后要進行退火消除熱應(yīng)力。計算了15s時剎車盤和模具的變形，發(fā)現(xiàn)剎車盤毛坯的變形量在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。 制動器裝配后，摩擦片和制動蹄在邊界上相接，但還 不具有一致的自由度。因此， 作，處理后的制動蹄和摩擦 片在個體上雖然仍是相互獨立，但具有相同的自由度，即繞支撐軸轉(zhuǎn)動，相當于 將兩者在邊界上焊接在一起。 施加在有限元模型上的載荷是否合理，約束是否正確對有限元的計算結(jié)果有 很大影響，甚至導(dǎo)致結(jié)果不收斂所以施加制動器模型的自由度約束至關(guān)重

32、要。對 鼓式制動器進行靜態(tài)平衡分析，施加約束后的整個制動器有限元模型如圖 4-3 所 示。 (1) 施加約束和載荷 對于制動蹄約束銷孔的徑向位移以及銷孔內(nèi)端面的軸向 位移進行限制，使制動蹄只有繞支撐銷旋轉(zhuǎn)這一個自由度，在制動蹄的上端面上 施加制動促動力 45.24kN，其結(jié)果分別如圖 4-4、4-5、4-6 所示(2)結(jié)果分析 由分析結(jié)果可以看出制動蹄的變形、應(yīng)力和位移變化是對襯分布 的，由圖 4-5 看出制動蹄端面的變形大，而制動蹄蹄端面的水平位移涉及到制動 氣缸活塞的行程。制動蹄的蹄端行程與制動器蹄鼓間隙值、摩擦片的壓縮量、制 動鼓以及制動蹄本身的變形量等因數(shù)有關(guān) 1.462mm。由圖 4

33、-6 得，制動蹄大應(yīng)力為 。圖 4-7 制動蹄位移矢量圖施加約束和載荷 對摩擦片和制動蹄粘結(jié)(Glue)操作處理后的制動蹄和摩擦 片在個體上雖然仍是相互獨立，但具有相同的自由度，即繞支撐軸轉(zhuǎn)動，相當于 將兩者在邊界上焊接在一起。所以，對于摩擦片施加約束和載荷其結(jié)果如圖 4-8 到 4-10 所示。 制動過程中的三種傳熱方式 整個制動過程中，車輛的動能和勢能通過使摩 擦偶件變形將其轉(zhuǎn)變成熱能。約95熱能被制動鼓吸收。由于制動的時間很短，制動鼓的對流換熱來不及 制動鼓吸收的熱量而使其溫度瞬間升高，過高的溫升會使制動器制動效能迅速下降，甚至使制動鼓產(chǎn)生熱變形及裂紋，這將直接影響制動器的性能和壽命。摩

34、擦熱導(dǎo)致摩擦材料發(fā)生熱降解、 粘結(jié)劑氣化，摩擦因數(shù)發(fā)生變化，制動性能降低，出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象；也使金屬對 偶件發(fā)生局部材料的相變與熱變形，出現(xiàn)局部熱點。局部熱點的出現(xiàn)導(dǎo)致制動壓 力不均勻分布的進一步發(fā)展，這反過來又促進局部溫度進一步升高，使制動器出 現(xiàn)熱彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象。在熱應(yīng)力作用下很容易造成材料的熱衰退和破壞，產(chǎn)生初 始裂紋并導(dǎo)致表面刮削現(xiàn)象加劇。而熱彈性失穩(wěn)的出現(xiàn)，使得制動器摩擦振動與 噪聲加大。 熱傳遞有三種基本方式： (1) 當物體內(nèi)部存在溫差，即存在溫度梯度時，熱量從物體的高溫部分傳遞到 低溫部分，不同溫度的物體相互 溫物體傳遞到低溫物體。這種 熱量傳遞方式稱為熱傳導(dǎo)。 (2) 熱輻射指

35、物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。 物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。熱輻射不需要任何介質(zhì)，在真空中熱 輻射率高。 (3) 熱對流是指固體表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱 量交換。高溫物體表面常常發(fā)生對流現(xiàn)象。這是因為高溫表面附近的空氣因受熱 而膨脹，密度降低并向上流動。與此同時，密度較大的冷空氣下降并代替原來的 受熱空氣。熱傳導(dǎo)、對流、輻射三種傳熱方式在制動器的散熱過程中同時存在，因為摩擦副接觸面是生熱表面，但是因為摩擦片和制動鼓之間厚度較小，一般為1020mm之間，且制動鼓的材料為鑄鐵，具有很好的導(dǎo)熱性；而摩擦片的導(dǎo)熱性較差，基本不向外界散熱，為

36、簡化，可以忽略其間的溫度差。根據(jù)理論分析和經(jīng)驗表明，傳導(dǎo)散熱量所占的比例很小。一般情況下輻射散熱量約占制動鼓散熱量的 5%到 10%，且制動鼓外 表面的溫度越高，輻射換熱量也就越大。對流換熱是鼓式制動器主要的散熱方 式，占總散熱量的 80%以上。所以對流換熱是研究的重點 。 制動過程中，摩擦產(chǎn)生的大量熱流進入制動鼓，使其溫度在瞬間升高，為了簡化熱分析問題的求解，做出下列假設(shè)：(1) 制動期間，制動力矩的大 (2) 以恒定的減速度制動； (3) 制動能量全部轉(zhuǎn)化為熱能， 意時刻產(chǎn)生的熱流按一定比例均勻地通過摩 擦表面流進制動鼓。 下面是緊急制動中制動鼓摩擦表面的熱流密度公式 熱流密度 q 的計算公式為(3) 熱分析結(jié)果 通過有限元軟件的計算，得到制動鼓制動末的大溫度為 155.954 。