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基于ANSYS Workbench的制动器模态特性仿真与优化
朱淼;侯莹莹
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2022(51)9
【摘要】为降低车辆制动器发生中低频噪声的概率和频率,基于有限元方法建立制动器的参数化模型,采用ANSYS Workbench对制动器的约束模态和预应力模态进行了数值仿真与分析。
分别采用六面体和四面体类型网格对刹车片和制动盘进行网格划分。
约束模态分析将边界条件设置为螺纹孔固定约束。
预应力模态分析首先进行静态结构仿真,然后调取应力场分析结果至模态分析模块,得出不同工况下的模态
振型。
在保持第一阶固有频率不降低的前提下,对制动器进行了轻量化设计和优化。
研究表明,在固定约束和预应力模态分析条件下,制动盘的质量可减小16%左右,且
各阶固有频率均有不同程度的提高。
该研究方法能够有效缩短研发周期和成本,为
车辆工程的可靠性优化提供良好的思路和方向。
【总页数】4页(P181-184)
【作者】朱淼;侯莹莹
【作者单位】枣庄科技职业学院
【正文语种】中文
【中图分类】U463
【相关文献】
1.基于ANSYS Workbench对4MZ-3C型采棉机侧壁焊合刚度强度及模态特性的试制前有限元分析
2.基于ADAMS和ANSYS Workbench的多盘制动器弹子加压装置协同仿真研究
3.基于ANSYS Workbench的高速电主轴模态分析及其动特性实验
4.基于ANSYS Workbench的新型盘式制动器的强度分析和模态分析
5.基于ANSYS Workbench的制动器支座拓扑优化
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汽车鼓式制动器瞬态温度—应力场三维仿真与模拟汽车鼓式制动器是现代汽车制动系统中的重要组成部分，它具有制动效果稳定、制动力大等特点。
然而，在制动过程中，制动器内部产生的大量热能会导致制动器零部件的温度变化，进而影响制动器的制动性能和寿命。
因此，研究汽车鼓式制动器的瞬态温度-应力场三维仿真与模拟，对于提高其制动性能、延长使用寿命具有重要意义。
汽车鼓式制动器是通过摩擦力的转换将车轮的动能转化为热能的，由制动鼓、刹车盘、刹车鼓、制动片、制动泵等部件组成。
在制动过程中，制动片与制动鼓之间摩擦产生的热量会导致制动器零部件的温度急剧升高，进而使制动器产生应力场。
为了保证制动器的高效性和安全性，需要对其制动过程中的温度-应力场进行详细研究。
本文使用计算机辅助工程方法，开展汽车鼓式制动器瞬态温度-应力场三维仿真与模拟研究。
首先，基于几何建模和单元网格划分原理，将汽车鼓式制动器建立为三维有限元模型。
然后，将制动过程中制动片与制动鼓之间的复杂相互作用转换成一系列计算机数学模型，并通过控制方程求解温度-曲应力场的分布规律。
通过仿真计算，得到了汽车鼓式制动器在不同刹车条件下的瞬态温度-应力场三维分布情况。
结果表明，随着制动时间的增加和制动力的增强，制动器零部件的温度和应力场也会增加。
在整个制动周期内，制动鼓的应力场呈现出明显的集中分布，而制动片之间的应力场分布相对均匀。
同时，随着时间的推移，制动器内部的温度-应力场分布情况也会逐渐趋于稳定。
综上所述，通过汽车鼓式制动器瞬态温度-应力场三维仿真与模拟研究，可以全面掌握制动器在工作状态下温度和应力场的分布规律，为设计更加高效、安全的制动器提供重要参考。
同时，这种方法还可以用于预测制动器在不同使用条件下的性能，为制定保养策略和提高制动器的使用寿命提供依据。
此外，该研究还可以为现代汽车制动系统的优化提供帮助。
通过对制动器瞬态温度-应力场三维分布规律的研究，可以发现制动器的热稳定性和强度弱点，为改进车辆的制动性能提供基础。
基于ANSYSWorkbench的汽车盘式制动器性能分析基于ANSYS Workbench的汽车盘式制动器性能分析引言：随着汽车行业的快速发展和技术的不断进步，制动系统作为汽车安全的重要组成部分之一，其性能分析和优化显得尤为重要。
盘式制动器作为应用广泛的一种制动系统，具有较高的制动效率和稳定性。
本文基于ANSYS Workbench平台，针对汽车盘式制动器的性能进行了详细分析，旨在提高汽车制动系统的制动效果和安全性。
背景：盘式制动器是目前汽车制动系统中使用最广泛的一种制动器。
它由刹车盘、刹车钳、刹车片等组成，通过刹车钳将刹车片夹紧在刹车盘上，利用摩擦产生的阻力来实现制动效果。
然而，盘式制动器在长时间高温工况下容易出现刹车片和刹车盘的热膨胀、磨损、裂纹等问题，严重影响了制动器的性能和安全性。
方法：本文采用ANSYS Workbench软件进行盘式制动器的性能分析。
首先，建立了盘式制动器的三维模型，并导入到ANSYS Workbench平台中。
然后，通过网格划分、材料参数设置、边界条件的设定等步骤对盘式制动器进行预处理。
接着，运用有限元方法对盘式制动器的应力和温度分布进行模拟计算。
最后，通过结果分析和对比，得出有关盘式制动器性能的相关结论。
结果与讨论：通过对盘式制动器进行应力分析，可以得到盘式制动器在工作过程中的应力分布情况。
结果显示，在制动过程中，刹车片对刹车盘施加了大的接触应力，而刹车盘则承受了均匀分布的应力。
这些应力对制动器的磨损和热裂纹等问题具有重要影响。
同时，在温度分析中，可以通过计算刹车片和刹车盘的温度分布情况，了解制动过程中产生的热量。
结果显示，在长时间高温工况下，刹车片和刹车盘的温度会显著升高，造成制动效果下降和刹车系统失灵的风险增加。
结论：通过ANSYS Workbench平台的性能分析，我们可以得到汽车盘式制动器的应力和温度分布情况，找出制动器的潜在问题。
在这基础上，可以采取相应的优化措施，如使用高性能材料、改善制动器散热系统等，以提高制动器的制动效果和安全性。
HEAVY TRUCK《重型汽车》8□文/王传法(中国重汽集团济南桥箱有限公司)徐秀良 肖 将(中国重汽集团技术发展中心)【摘要】基于某重型汽车整车试验出现的制动底板故障，分析故障位置处的装配结构和载荷情况，在Ansys Workbench 环境中进行仿真分析，得到了制动力矩作用下的应力分布云图。
根据仿真结果，分析故障产生的原因。
1 故障描述和初步分析根据前期某重型汽车整车试验反馈，后驱动桥出现制动底板断裂故障，如图1所示。
图1 零件断裂位置图制动底板凸轮轴安装孔两侧20度附近，沿径向出现断裂。
2 制动底板处的结构和受力分析制动底板通过螺栓联接在桥壳上，制动凸轮轴和制动蹄支承销安装在制动底板安装孔上，如图2和图3所示。
制动蹄处产生的制动力矩经过支承销和凸轮轴传递到制动底板上。
因此，认为车桥制动力矩是导致本次故障的原因。
图2 鼓式制动器安装图1.制动凸轮轴2.制动底板3.联接螺栓4.制动蹄支承销图3 制动底板结构图1.凸轮轴安装孔 2、3.螺栓安装孔 4.支承销安装孔3 仿真分析基于上述分析，在Ansys Workbench 环境中进行制动底板抗扭转强度校核计算。
由于零件断裂处的截面较为粗糙，显示为静载荷作用下的破坏。
因此，利用静力分析系统“Static Structural” 建立有限元模型。
3.1 加载方式和载荷计算根据制动底板是否松脱，分两种工况进行仿真分析。
工况1：螺栓联接处于正常预紧状态：需要固定底板法兰面，如图4所示。
工况2：螺栓联接松动失效状态：需固定18个螺栓孔。
制动蹄片受到的法向力、摩擦力以及作用点位置计算如下：两蹄片摩擦力等效作用半径：R 1=R 2=4R(cosα'-cosα'')/[(c o s 2α'-c o s 2α'')2+(2β-2sin2α''+sin2α')2]1/2=282mm式中R 为摩擦片半径，摩擦系数f=0.45，h 为销孔距，β为制动器摩擦片包角。
鼓式制动器温降试验与仿真模拟研究的开题报告一、研究背景鼓式制动器是车辆制动系统中最为常见的一种制动器。
其通过摩擦片与制动鼓之间的摩擦力，将车轮减速甚至停止，实现车辆的制动。
然而，在实际使用过程中，由于长时间的制动，鼓式制动器会产生大量热量，从而导致制动器温度快速升高。
制动器温升不仅会影响制动性能，还可能导致制动器失灵、制动距离延长等严重后果。
因此，研究鼓式制动器的温降特性对于提高车辆制动系统的性能和可靠性具有重要意义。
二、研究内容本研究旨在通过实验和仿真模拟相结合的方式，研究鼓式制动器的温降特性，并分析制动器温度对制动性能的影响。
具体内容包括：（1）根据实际制动工况，设计鼓式制动器温降试验方案。
（2）利用试验数据，分析鼓式制动器的温升规律，并建立温度-时间曲线。
（3）建立鼓式制动器的温降数学模型，并进行仿真模拟。
（4）分析制动器温度对制动性能的影响，并探讨制动器散热系统的优化方法。
三、研究意义本研究将有助于深入了解鼓式制动器的温降特性和制动性能，为车辆制动系统的优化和设计提供科学依据。
同时，还可以为制动器温度控制、制动性能评估等方面提供参考，具有广泛的应用价值。
四、研究方法本研究采用实验和仿真相结合的方法。
具体方法如下：（1）实验：采用真实车辆或试验台模拟车辆，按照设定的工况测试制动器温度变化，获得实验数据。
（2）数学模型：根据试验数据建立鼓式制动器的温降数学模型，分析制动器温度变化的规律。
（3）仿真模拟：利用ANSYS等仿真软件，对制动器温度变化进行仿真模拟，验证数学模型的准确性。
五、预期结果本研究预期通过实验和仿真模拟，建立鼓式制动器的温降特性数学模型，并分析制动器温度对制动性能的影响。
同时，本研究还预期将探讨制动器散热系统的优化方法，为提高制动性能和可靠性提供参考。
鼓式制动器热衰退性能的仿真分析马迅，张继伟，沈剑湖北汽车工业学院，442002[ 摘要]鼓式制动器散热性能差，制动过程中会聚集大量的热。
制动衬片在温度上升到一定程度后会使得制动器温度急剧上升，出现热衰退现象，引起制动效率下降。
建立了某鼓式制动器的三维有限元模型。
根据制动器的热衰退试验条件等相关国家标准，利用MATLAB软件对与试验对应的各工况各时刻下汽车行驶速度、热流密度及对流换热系数进行计算。
利用ANSYS Workbench，对制动鼓的温度场进行仿真和研究。
通过对初始条件模拟方法的多次修正,使仿真曲线与试验曲线拟合。
确定了制动鼓温度场分析的边界条件及模拟方法，在此基础上研究了制动过程中的车速，制动频次及制动强度等参数对制动鼓温度场的影响。
为设计阶段分析制动器的热性能提供了重要的参考。
[ 关键词 ] 有限元分析，热衰退，试验曲线拟合，鼓式制动器Simulation and Analysis for Heat Fade of a Drum BrakeMA Xun, ZHANG Jiwei, SHEN JianHubei Automotive Industries Institute, 442002[ Abstract ] Due to bad heat dissipation performance, drum brake will gather a lot of heat in the braking process. The temperature of brake lining commonly used rising to a certain degree will make the brake have a sharp rise in temperature; heat fade occurs, causing braking efficiency to decrease. This paper establishes the three-dimensional finite element model of the rear drum brakes .According to test conditions of brake heat fade and other relevant national standards, using MATLAB to calculate vehicle velocity, heat flux and convection heat transfer coefficient under various conditions corresponding to test at each moment. Using ANSYS Workbench, brake drum thermal field is simulated and studied. Through several simulation methods revised about initial conditions, to achieve fitting of the simulation curve and test curve. The boundary conditions for temperature field analysis and simulation methods of the brake drum are confirmed, and the effects of the process of braking speed, braking frequency and braking force etc. to brake drum thermal field are studied. To provide an important reference for the thermal performance analysis of brake at design stage.[Keyword ]Finite element analysis, Heat fade, Fitting of test curve, Drum brake1引言制动器长时间在高负荷状态下工作或者在连续制动的情况下，随着制动次数的增加会导致制动力不足以致刹车距离变长的现象就是热衰退。
鼓式制动器由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热。
常用的制动衬片在温度上升到一定程度后会使得制动器温度急剧上升，出现热衰退现象，制动蹄受热过度磨损，导致表面不平整使实际的接触面积减少，引起制动效率下降。
利用有限元分析可以模拟制动鼓在各种制动条件下的瞬态温度场，为设计阶段了解制动器的热衰退性能提供指导。
2 鼓式制动器温度场的热传递模型与试验结果2.1鼓式制动器物理模型的简化[1]对于有机摩擦材料的衬片，在停车制动期间产生的热量约有95%为制动鼓和制动盘吸收，剩余的5%的热量由摩擦片或制动衬块所吸收，由此对鼓式制动器的物理模型简化如下：1）制动器与外部环境隔离，无空气流动，摩擦片本身导热性很差，且由于与制动蹄之间用铆钉连接，接触传热阻很大，传导热量很小，故忽略不计。
忽略制动器其他零件对生热和传热过程的影响。
2）制动器在摩擦中产生的热量全部被制动鼓所吸收。
3）制动底板的作用是固定制动蹄和阻挡异物进入制动鼓内部，虽然与制动鼓的侧面间隙很小，但是没有直接接触，假设二者之间没有热量传递。
2.2鼓式制动器热衰退性能试验热衰退试验在满载的整车上进行，车辆总重14吨，轴距4.5m，地面滚动阻力系数为0.018，制动力分配系数为0.47；车辆行驶初始速度v1=65km/h，单个周期制动末速度v2=30km/h，制动鼓内温度t范围为60℃～90℃，20个周期连续制动，单次制动周期T为60s。
试验采用接触式热电偶测量制动鼓内表面的温度。
为了准确测量制动过程中制动鼓内表面的温度，将热电偶传感器安装在制动蹄鼓之间压力最大的位置，之后通过温度传感器、压力传感器、数据处理器和功率放大器进行温度的测试。
鼓式制动器20个制动周期的温升曲线结果如图1所示。
图1 鼓式制动器热衰退试验曲线2.3确定制动鼓瞬态温度场数值模拟的边界条件和物理参数2.3.1摩擦表面热流密度的确定根据能量守恒定律，车辆在水平路面制动过程中，随着行驶车速的降低，其动能减少，减少部分的能量转化为制动器的摩擦热。
如果车辆行驶在有纵向坡度的路段上，还应该考虑车辆势能的变化，综合以上分析，推导出车辆制动器在制动过程中的摩擦生热量[2]为S f i mg mv mv Q )(212122211−±+−= （1） v f i mg mav dtdQ q )(11−±+== （2） 式中，Q 1—整车制动过程中制动器总生热量，J ；m — 汽车总质量，㎏；v 1— 汽车制动过程的初始速度，m/s ；v 2— 汽车制动过程的末速度，m/s ；g—重力加速度，9.8 m/s²；i — 道路纵向坡度，下坡路段取正，上坡路段取负；f —滚动阻力系数；S —制动距离，m ；a — 汽车的制动减速度，m/s²；v — 汽车的瞬时速度，m/s ；q 1— 整车制动过程中制动器总生热热流率，W 。
根据制动力分配系数，计算出单个后轮制动器的摩擦生热量以及单位时间的摩擦生热热流率[3]为()()111121Q s Q R −−=β （3） ()()111121q s q R −−=β （4） 该公式忽略了空气阻力、旋转质量惯性力偶矩等一些能量消耗较小的因素，在特定的条件下某些因素的影响会比较显著，可以添加。
另外由于制动滑移率s 很小，故对于（1-s ）这一项可以忽略不计，则得到1R q 的计算公式简化如下()11121q q R β−= （5） 式中，Q 1R —单个后制动鼓的摩擦生热量，J ；q 1R —单个后制动鼓的热流率，W ；β—制动力分配系数。
2.3.2制动鼓外表面对流换热系数的确定鼓式制动器的对流换热系数接近于下列形式的函数关系[2][6])328/exp(92.0v v h R −×+=α （6）式中v —车速，ft/s ；α—经验公式系数，前轮制动鼓取0.7，后轮制动鼓取0.3，（单位换算时 1 Btu·s/h·℉·ft²=5.67826 W/m²K ）；对于α的经验值推荐选取为0.3，但仿真曲线与试验曲线不吻合，增大对流换热系数的值，经过多次调试，最终确定α为0.4。
2.3.3物理参数的确定当紧急刹车或者长时间制动时，制动鼓内表面及制动蹄的提及温度相当高，由于材料的热物理性能参数是随温度的变化而变化的，这会引起材料物理性能变化，温度越高，比热容增大，但材料的导热系数K 改变不大，材料的密度变化很小，故导热系数和密度按常数输入，比热容在500～600J/kg.℃之间，密度为7200kg/m 3，热传导率为52W/m.℃。
考虑辐射影响，取辐射系数为0.54。
2.4 基于MATLAB 确定各时刻边界条件 [5]利用MATLAB 对与试验对应的各工况各时刻下汽车行驶速度、热流密度及对流换热系数进行计算。
汽车制动时间3.3s ，加速时间46.7s ，匀速时间10s ，参考试验各工况运动参数，绘制速度随时间变化的曲线如图2所示。
联立（2）式和（5）式绘制热流密度随时间变化的曲线如图3所示。
根据（6）式绘制对流换热系数随时间变化曲线如图4所示。
图2车速随时间变化曲线图3 热流密度随时间变化曲线图4 对流系数随时间变化曲线3 制动鼓的瞬态热分析3.1制动鼓的建模及网格划分不影响计算精度情况下，对制动鼓进行适当简化[3]。
为了与试验数据进行比较，选择制动鼓与制动蹄接触的中间点为仿真数据的测试点。
制动鼓几何模型和测试点如图5所示。
制动鼓的材料为灰铸铁，采用十结点的四面体单元离散制动鼓，有限元模型如图6所示，其中节点数8026，单元数3918。
图5 制动鼓几何模型及测试点图6 制动鼓网格划分3.2制动鼓连续制动九个周期温升曲线拟合施加的载荷主要有制动鼓内表面的初始温度63°、初始环境温度22°。
热流密度施加在制动鼓内壁，如图3所示。
对流换热系数施加在制动鼓外壁，如图4所示。
辐射系数施加在制动鼓外壁，其值为0.54。
加载过程中，在每个载荷步中，划分若干子载荷步[2]。
在制动鼓连续九个制动周期仿真实验中，为了得到制动鼓比较完整的温升变化曲线，选择按照每个周期11个载荷步（减速阶段5个载荷步，加速阶段4个载荷步，匀速阶段2个载荷步）。
图7 九个周期连续制动后测试点温升曲线计算得到连续九次制动测试点的温升情况，如图7所示。
