汽車盤式制動器熱-結(jié)構(gòu)有限元分析

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SY-025-BY-3 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 學生姓名 馬貴 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程B05-18班 指導教師姓名 趙雨旸 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是√否 題目名稱 汽車盤式制動器熱-結(jié)構(gòu)有限元分析 一、課題研究現(xiàn)狀,選題的目的、依據(jù)和意義 1、研究現(xiàn)狀 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車作為一種代步工具，已經(jīng)進入普及時代。車輛保有量的增多，車速的日益提高，人們對其安全性能也有了更高的要求。而與安全性能有關(guān)的汽車制動問題，就成為了汽車工程上的重要問題，制動器作為保證汽車安全行駛的重要部件之一，也就成了人們研究的主要項目之一。隨著汽車最高車速的逐漸提前，為了適應高速制動條件下摩擦制動器表面高溫造成的熱衰退及高速制動時帶來的噪聲污染，在制動器設(shè)計開發(fā)中必須對其高溫工作性能、熱衰退及恢復性能及制動時振動情況進行預測分析。 要進行上述的預測和分析，利用傳統(tǒng)方法就相形見絀了，CAE技術(shù)是目前較常用的方法。CAE(Computer Aided Engineering)是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE軟件按研究對象分為：靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，動態(tài)分析；按研究問題分為線性問題，非線性問題。CAE的技術(shù)種類有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),邊界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應用的領(lǐng)域，而其中有限元法應用的領(lǐng)域越來越廣，現(xiàn)已應用于結(jié)構(gòu)力學、結(jié)構(gòu)動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等。而有限元法最常用的軟件就是ANSYS，本課題將運用ANSYS對盤式制動器在高速制動過程中進行熱-結(jié)構(gòu)的耦合分析。 國內(nèi)一些高校在這一領(lǐng)域進行了研究，但他們主要針對制動盤或鼓式制動器進行研究，也有人對濕式多片制動器的溫度場進行研究，對于盤式制動器磨擦片的研究特別是對壓力分布的研究很少。由于摩擦熱導致襯片溫度的升高，摩擦系數(shù)的變化和磨損加劇以及制動力矩波動使得制動不穩(wěn)和制動時噪聲問題仍未解決。二十多年來，我國摩擦學和材料學者從配方選擇、工藝改良、材料變革諸方面做了大量工作。但由于問題本身的復雜性以及技術(shù)手段的局限性，該問題并沒有得到有效的解決。隨著電子計算機技術(shù)和有限元方法的發(fā)展，為計算制動器溫度場提供了有力的手段。因此本課題采用理論分析及有限元方法，對摩擦片復雜的溫度場邊界條件進行合理簡化，建立摩擦片本體溫度場及表面壓力研究的有限元分析模型，計算出制動器的本體溫度場及表面壓力場。 在國外，經(jīng)過幾十年來的發(fā)展和研究，理論已日趨完善，生產(chǎn)氣（液）壓盤式制動器的技術(shù)目前也已經(jīng)比較成熟，形成了系列產(chǎn)品。例如：博世(Bosch)公司、威伯科（WABCO）公司、阿文美馳公司等每年的產(chǎn)量都在20～50萬臺以上；在歐、美、日等發(fā)達國家，已把盤式制動器作為標準件裝備在多級別的轎車、客車、中型、重型汽車上。我國在此項目上起步較晚，大部分是隨著歐系、日系轎車的引進而上馬的轎車、微型車用液壓盤式制動器，各廠家產(chǎn)品相對單一。氣壓盤式制動器則大部分是在1999～2002年間汽車熱中上馬的生產(chǎn)廠家，國內(nèi)目前真正形成規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)有武漢元豐、浙江萬向、一汽四環(huán)等，總體上數(shù)量不多，但開發(fā)氣壓盤式制動器熱火朝天的局面大有愈演愈烈的趨勢。 綜上所述 ，國內(nèi)對制動器的研究主要還是基于試驗方法，通過試驗確定系統(tǒng)的動態(tài)特性、噪聲輻射體等參數(shù)，最后再分析論證問題產(chǎn)生的原因，并在該基礎(chǔ)上采取一系列改進措施。這種做法不僅提高了費用、延長了開發(fā)時間，而且效率也較低。所以今后的研究方向是通過計算機，利用虛擬樣機技術(shù)、模態(tài)分析技術(shù)、有限元方法、邊界元法、多體系統(tǒng)動力學理論等方法來提高設(shè)計分析能力，縮短了新產(chǎn)品的研制開發(fā)時間、節(jié)省研制開發(fā)成本和進行大量試驗所需的費用，從而提高產(chǎn)品的市場竟爭能力。 2、目的、依據(jù)和意義 隨著車速及車流密度的不斷提高，汽車的安全問題日益突出。制動器是汽車制動系統(tǒng)的執(zhí)行部件，它直接關(guān)系到汽車的安全行駛。制動器的熱-結(jié)構(gòu)場耦合分析計算是制動器設(shè)計的重要內(nèi)容和選擇摩擦副材料的重要理論依據(jù)，其強度、剛度及動態(tài)特性直接影響制動系統(tǒng)的工作特性及使用壽命，影響整車的安全性、舒適性、噪聲、操縱穩(wěn)定性等基本性能。傳統(tǒng)的設(shè)計方法周期長、成本高，CAD/CAE技術(shù)的在制動器設(shè)計中的應用，可以大大縮短制動器開發(fā)周期、降低開發(fā)費用，提高設(shè)計質(zhì)量。在制動器的結(jié)構(gòu)分析中，有限元法由于其能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的力學問題的優(yōu)點而被廣泛使用，各種汽車結(jié)構(gòu)件都可以用有限元法進行靜態(tài)分析、固有特性分析和動態(tài)分析。將分析結(jié)果返回到設(shè)計過程中，修改其中不合理的參數(shù)，經(jīng)過反復的優(yōu)化，使得產(chǎn)品在設(shè)計階段就可保證滿足使用要求從而縮短設(shè)計試驗周期，節(jié)省大量的試驗和生產(chǎn)費用，它是提高汽車設(shè)計的可靠性、經(jīng)濟性、適用性的方法之一。因此，為了保證其設(shè)計的精確性和縮短設(shè)計周期，基于有限元分析，對它在緊急制動工況下三維瞬態(tài)溫度場、應力場的耦合分析計算，是非常重要和必須的。 二、設(shè)計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1、研究的基本內(nèi)容 （1）研究汽車盤式制動器的組成、結(jié)構(gòu)與設(shè)計； （2）建立有限元計算模型； （3）研究汽車盤式制動器的載荷； （4）盤式制動器的有限元結(jié)構(gòu)分析； （5）盤式制動器的有限元熱分析； （6）盤式制動器的有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。 2、擬解決的主要問題 （1）盤式制動器主要參數(shù)的測量； （2）盤式制動器制動時的受力分析； （3）運用ANSYS建立制動盤和制動襯片的三維實體模型； （4）運用ANSYS對盤式制動器的關(guān)鍵零件進行有限元靜態(tài)分析，重點進行強度分析； （5）運用有限元分析軟件ANSYS進行動態(tài)分析； （6）運用ANSYS進行溫度場分析、接觸分析以及熱-結(jié)構(gòu)耦合分析； 三、技術(shù)路線（研究方法） 調(diào)查研究 研究結(jié)構(gòu)分析與熱分析的基本理論 盤式制動器尺寸數(shù)據(jù)的采集、分析、處理 利用ANSYS建立三維實體模型 得出分析結(jié)論 利用ANSYS對盤式制動器主要零部件進模態(tài)分析 利用ANSYS對盤式制動器主要零部件進行熱分析 利用ANSYS對盤式制動器主要零部件進行結(jié)構(gòu)分析 對模型進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析 四、進度安排 （1）調(diào)研、資料收集，完成開題報告 第1、2周（3月2日～3月15日） （2）研究汽車制動器的設(shè)計步驟與設(shè)計方法，分析汽車制動器受力情況 第3周（3月16日～3月22日） （3）建立盤式制動器有限元模型 第4、5周（3月23日～4月5日） （4）對盤式制動器進行有限元結(jié)構(gòu)分析 第6、7周（4月6日～4月19日） （5）對盤式制動器進行有限元熱分析 第8、9周（4月20日～5月3日） （6）對盤式制動器進行有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合分析 第10、11周（5月4日～5月17日） （7）完成設(shè)計說明書的撰寫 第12、13周（5月18日～5月31日） （8）對分析程序與設(shè)計說明書進行修改 第14周（6月1日～6月7日） （9）畢業(yè)設(shè)計（論文）審核、修改 第15、16周（6月8日～6月21日） （10）畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯準備及答辯 第17周（6月22日～6月28日） 五、參考文獻 [1]劉惟信.汽車設(shè)計.[M].北京:清華大學出版社,2004:685-711. [2]劉惟信.汽車制動系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計計算[M].北京:清華大學出版社,2004:57-74. [3]王望予.汽車設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:257-285. [4]張國智.熱力學有限元分析實例指導教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:18-31. [5]葉先磊.ANSYS工程分析軟件應用實例[M].北京:清華大學出版社,2004:144-230. [6]宋勇.精通ANSYS7.0有限元分析[M].北京:清華大學出版社,2004:84-332. [7]黃健萌.盤式制動器熱－結(jié)構(gòu)耦合的數(shù)值建模與分析[J].機械工程學報,2008 ,44(2):145. [8] 盛勇生.面向制動噪聲的盤式制動器有限元復模態(tài)分析[J].機械設(shè)計與制造,2007,11:87-89. [9] 黃健萌.盤式制動器熱－結(jié)構(gòu)耦合的數(shù)值建模與分析[J].機械工程學報,2008,44(2):145-151. [10]田正兵.盤式汽車制動器的有限元模態(tài)分析[J].北京工商大學學報(自然科學版),2007,25(5):12-42. [11] 華林. 汽車氣壓盤式制動器瞬時溫度場研究[J].潤滑與密封,2007,32(5):8-11. [12]汪成明.盤式制動器制動時的熱應力分析[J].合肥工業(yè)大學學報,2007,30(11):1436-1439. [13] 韓建. 盤式制動器的熱分析[J].機械設(shè)計與制造,2008,(10):180-181. [14] CHOIJH, LEEI. Transient thermoel analysis of disk brakes in frictional contact[J].J.Therm.Stresses, 2003,26:223-244. [15] CHOIJH,LEE I.Finite element analysis of transient thermoelastic behaviors in disk brakes[J].Wear,2004,257:47-58. 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日