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机械 2020 年第 1 期 第 47 卷机械·23·基于 ANSYS Workbench 的新型盘式制动器 的强度分析和模态分析曾昱皓，谢松成，杨荣松（四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065）摘要：为了研究新型盘式制动器在工作过程中受到制动力的应力应变状况以及力学性能，通过 SolidWorks构建了某种新型盘式制动器的三维模型，然后根据有限元原理，运用有限元分析软件 ANSYS Workbench对其进行静应力分析，得到制动器主要零部件应力、变形变化规律和应力、变形最大时刻云图以及其各部件的应力大小，并对产生应力集中的地方进行改进。
同时提出了改变过渡圆半径的方法，并对其进行分析验证，为该盘式制动器的优化设计及动力学分析提供了理论基础。
通过对装配体进行模态分析，得到其前 6 阶固有频率和振型。
通过计算分析得到结果验证了该制动器在制动过程中不会发生共振，结构安全可靠，能满足实际工况要求。
关键词：盘式制动器；ANSYS Workbench；静应力分析；模态分析中图分类号：O242.2文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1006-0316.2020.01.004文章编号：1006－0316 (2020) 01－0023－06Strength Analysis and Modal Analysis of a New Disc Brake Based on Ansys Workbench ZENG Yuhao，XIE Songcheng，YANG Rongsong( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China ) Abstract：In order to study the stress-strain condition and mechanical properties of a new disc brake during braking, a three-dimensional model is constructed by SolidWorks and analyzed with ANSYS Workbench based on the finite element principle. Static stress analysis is carried out to obtain the stress and deformation law of the main components of the brake and the maximum moment of stress and deformation. With the stress of each component obtained, improvement is made where the stress concentration occurs. At the same time, the method of changing the radius of the transition circle is proposed. With analysis and verification of the method, it provides a theoretical basis for the optimal design and dynamic analysis of the disc brake. Through the modal analysis of the assembly, the first six natural frequencies and modes are obtained. The results of calculation and analysis prove that the brake does not resonate during the braking process, and the structure is safe and reliable, which can meet the requirements of actual working conditions. Key words：disc brake；ANSYS Workbench；static stress analysis；modal analysis本文研究的是中大型盘形林谢制动器。
基于 ANSYS的制动盘模态分析汉世成【摘要】Brake disc is the key component of disc brake, which vibration during braking has a greater impact on its perform-ance.In order to accurately grasp the vibration performance characteristics, the finite element model of brake disc is estab-lished by finite element method, and its freedom and constraint modal analysis are studied.The results get in the front of six natural frequencies and mode shapes of brake disc, and the weak modal of brake disc is identified and provide a theoretical reference for material selection and design of the brake disc.%制动盘作为盘式制动器的关键部件，在制动过程中发生的振动对其工作性能有较大的影响，为了准确把握其振动性能特性，采用有限元方法建立制动盘部件有限元模型，并对其进行自由模态分析和约束模态分析，研究得到了制动盘前六阶固有频率和振型，并确定了制动盘的薄弱模态，研究结果为制动盘的选材和设计提供了一定的理论参考。
【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】3页(P5-6,10)【关键词】制动盘;模态分析;有限元法【作者】汉世成【作者单位】兰州铁路局兰州西车辆段，甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TH133.70 引言盘式制动器是一种常用的制动装置，广泛应用于汽车、火车、飞机等各种制动装置中，盘式制动器主要部件包括制动盘、摩擦片、卡钳、支架等［1－2］，当制动动作发生时，通过卡钳将两侧摩擦片夹紧旋转的制动盘产生摩擦力矩实现制动，通常有双卡钳和单卡钳两种。
制动盘模态试验分析作者：上海汇众汽车制造有限公司陈晓鹏模态分析技术是用于对零部件或工程结构系统进行动力学分析的现代化方法和手段，借此可以解决很多工程实际问题。
对零部件进行模态分析有利于优化运动机械的整体性能。
以汽车制动盘为例，制动盘的模态决定着车辆在制动过程中的部分振动、噪声性能，并对制动盘的寿命、异常磨损等产生影响，测量并确定制动盘的模态频率与振型是研究并解决车辆制动引起振动与噪声的重要手段。
本文利用LMS公司有关模态测试软件对我公司某车型前制动盘进行比较完整的模态测量后，得出了制动盘的各种模态特性；并利用测试软件对测试方法进行了简短的分析，给出了在仅仅想得到零部件固有频率的试验要求下可以简化几何模型、减少测量次数，从而达到最快得到试件固有频率的目的。
制动盘模态特性及要求作为高速旋转部件，制动盘具有中心对称特性。
对于制动盘制动摩擦面，其振型主要是沿圆周均匀分布的变形（对于矩坐标系，相同θ角的各点位相相同，沿圆周呈波浪分布）及相同r（在矩坐标系中）具有相同形变（幅值与位相均相同）的变形。
当与制动系统中其他部件组合后，如果某种激励正好位于某一固有频率下，模态被激发，处于共振情形中的这种自身变形会产生强烈的振动与噪音。
前一种模态发生共振的可能性更大。
通常，制动盘处于本文后面所提到的0/4模态占优势，在产品设计与开发阶段要特别注意此类模态的特性。
测量与分析利用LMS TestLab 中的MODAL IMPACT模块可对制动盘进行模态测量。
用弹性绳把制动盘悬挂起来，将由试件与软绳所组成的系统振动的固有频率控制在5Hz以下，就能完全满足测试要求。
制动盘具有中心对称轴，以中心轴为Z轴，建立柱坐标系。
显然，制动盘除Z轴外的其他两方向的刚度比Z轴方向的刚度要大得多，在常规频段振动主要是沿着Z轴方向发生，因此只测定Z轴方向的加速度值即可。
制动盘结构相对较小，质量不大，因此在粘贴传感器时应尽量减小附加质量的影响，为此采用分别在多点激励、测取某一点处的响应的方法进行。
10.16638/ki.1671-7988.2019.22.034盘式制动器参数化设计及模态分析*季景方，邵子君，顾鹏（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰442002）摘要：盘式制动器是汽车关键零部件，文章基于CA TIA二次开发技术，以VB作为开发工具，建立了盘式制动器可视化界面。
用户只需要在人机交互界面输入制动器的参数便可以快速获得盘式制动器的三维模型，同时对建立的制动盘进行了模态分析。
文章的研究对于盘式制动器快速建模和优化制动盘设计提供了参考。
关键词：二次开发；盘式制动器；参数化建模；模态分析中图分类号：U463.51 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)22-101-02Parametric Design and Modal Analysis of Disc Brake*Ji Jingfang, Shao Zijun, Gu Peng( College of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002 )Abstract: Disc brake is a key component of automobile. Based on CA TIA secondary development technology and VB as development tool, this paper establishes a visual interface of disc brake. Users only need to input the parameters of the brake in the man-machine interface to quickly obtain the three-dimensional model of the disc brake. At the same time, the modal analysis of the brake disc is carried out. The research in this paper provides a reference for fast modeling and optimizing the design of disc brake.Keywords: Secondary development; Disc brake; Parametric modeling; Modal analysisCLC NO.: U463.51 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)22-101-02前言制动器是汽车关键零部件，其制动性能直接影响到车辆的行车安全，盘式制动器以其良好的制动性能在汽车中广泛应用。
制动盘模态试验分析陈晓鹏上海汇众汽车制造有限公司研究开发中心 上海 200122〔摘要〕本文叙述了利用LMS TestLab模态测试软件测取某轿车制动盘的各种模态，并对其模态进行了简单的分析。
探讨了利用更简单的几何模型及对部分测量点进行激励时对模态测量的影响，指出如果只要求测定固有频率而不关心具体的振型，可以采用简单的几何模型及进行部分点的测试。
关键词：制动盘 模态 试验key words: brake disc, modal, test1 前 言汽车工业的发展对零部件的开发也提出了越来越高的要求。
制动盘的模态决定着车辆在制动过程中的部分振动、噪声性能，并对制动盘的寿命、异常磨损等产生影响。
模态分析技术是用于对零部件或工程结构系统进行动力学分析的现代化方法和手段，借此可以解决很多工程实际问题。
测量并确定制动盘的模态频率与振型是研究并解决车辆制动引起振动与噪声的重要手段。
本文利用LMS公司有关模态测试软件对某车型的前制动盘进行比较完整的模态测量后，得出了制动盘的各种模态特性；并利用测试软件对测试方法进行了简短的分析，给出了在仅仅想得到零部件的固有频率的试验要求下可以简化几何模型、减少测量次数，从而达到最快得到试件的固有频率的目的。
2 制动盘模态特性及要求作为高速旋转部件，制动盘具有中心对称特性。
对于制动盘制动摩擦面，其振型主要是沿圆周均匀分布的变形（对于矩坐标系，相同θ角的各点位相相同，沿圆周呈波浪分布）及相同 r（在矩坐标系中）具有相同形变（幅值与位相均相同）的变形。
当与制动系统中其它部件组合后，如果某种激励正好位于某一固有频率下，模态被激发，处于共振情形中的这种自身变形会产生强烈的振动与噪音。
前一种模态发生共振的可能性更大。
通常，制动盘处于本文后面所提到的0/4模态占优势，在产品设计与开发阶段要特别注意此类模态的特性。
3 测量与分析利用LMS TestLab 中的MODAL IMPACT模块对制动盘进行模态测量。
循环对称结构模态分析实例－简化齿轮的模态分析一、问题描述该实例是对一个简化的齿轮模型的模态分析。
齿轮在几何形状上具有循环对称的特征，因此在对其做模态分析时可以采用循环对称结构模态分析的方法。
要求确定齿轮的低阶固有频率。
已知的几何数据参见分析过程中的定义，材料特性数据如下：杨氏模量=2×108N/m2泊松比=0.3密度=7.8×10-6N/m3二、GUI方式分析过程第1 步：指定分析标题1.选取菜单途径Utility Menu>File>Change Title2.输入文字“Modal analysis of a Gear”，然后单击OK。
第2 步：定义单元类型1.选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。
Element Types对话框将出现。
2.单击Add。
Library of Element Types对话框将出现。
3.在左边的滚动框中单击“Structural Shell”。
4.在右边的滚动框中单击“Elastic4node63”。
5.单击Apply。
6.在左边的滚动框中单击“Structural Solid”。
7.在右边的滚动框中单击“Brick8node45”。
8.单击OK。
9.单击Element Types对话框中的Close按钮。
第3 步：指定材料性能1.选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant-Isotropic。
Isotropic Material Properties对话框将出现。
2.在OK上单击以指定材料号为1。
第二个对话框将出现。
3.输入EX为2E8。
4.输入DENS为7.8e-6。
5.输入NUXY为0.3。
6.单击OK。
第4 步：定义建模所需的参数1.选取菜单途径Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters。
旋转机械盘片结构共振条件研究旋转机械盘片是一种重要的摩擦结构，它能够有效地减少噪声以及提高机械系统的可靠性。
然而，其结构共振特性也会对机械系统的性能产生影响。
为了更全面地研究旋转机械盘片结构共振条件，在本文中，我们分析了旋转机械盘片的动态特性，并且深入讨论它的结构共振条件，以便为机器系统分析和设计提供参考。
首先，我们分析了旋转机械盘片的动态特性，并运用模型理论方法，建立了相应的有限元模型，以模拟其动态特性。
结合实际生产规范对结构参数的要求，以及动态特性和摩擦行为之间的相互影响关系，利用计算流体动力学（CFD）技术，建立了流体和摩擦结构耦合的动力学模型。
使用有限元和CFD方法，我们研究了结构参数的动态特性和设计条件，模拟出了装配过程中的动态特性和旋转机械盘片的摩擦行为。
研究表明，旋转机械盘片的结构共振条件主要受结构参数和摩擦特性的影响。
要实现小频率振动和低噪声效果，旋转机械盘片的材质和结构参数需要精确优化并根据摩擦特性进行调整，以确保满足共振条件。
此外，工作环境与工作温度也会影响旋转机械盘片的共振条件。
当工作温度高于室温时，由于摩擦行为的影响，结构的共振频率会降低，可靠性和耐久性也会受到影响。
本文还利用ANSYS/LS-DYNA软件软件进行了旋转机械盘片的模拟分析，并根据模拟结果对结构参数进行优化，从而获得良好的共振条件。
研究结果表明，当横向共振频率和纵向共振频率均低于设计频率时，结构可以获得较好的共振条件，从而能够较好地抑制低频振动和噪声。
综上所述，本文研究了旋转机械盘片结构共振条件，分析了结构参数和摩擦特性对共振条件的影响，并进行了模拟分析和优化设计，从而提高了旋转机械盘片的抑制低频振动和噪声的能力。
通过这项研究，能够为机械系统设计和性能分析提供参考，并为今后更深入地研究旋转机械盘片结构共振条件和可靠性提供依据。
研究学者还可以对生产过程中的炬热效应、摩擦行为和载荷特性等因素进行更深入的研究，以提高旋转机械盘片的可靠性和稳定性。
1.2盘式制动器的优点盘式制动器与鼓式制动器相比，具备的优点较多。
一是盘式制动器具有较好的热稳定性。
盘式制动器不需要自己增力，因此摩擦表面压力可以均匀分布在衬块上，与鼓式制动器明显不同；二是盘式制动器具有较好的水稳定性。
制动衬块可以将单位压力施加在盘上，且施加的单位压力较高，方便水挤出。
因此盘式制动器即便是在进水状态下，其自身的效能也不会明显降低。
加上衬块对盘的擦拭作用和离心力作用，要想恢复正常只需要在出水后经一次或者两侧的制动即可，而鼓式制动器则需要经过最少十次的制动；三是盘式制动器制动力矩不受汽车运动方向的影响；四是制动衬块上的压力分布较为均匀，因此衬块的磨损也呈现出均匀的特征；五是衬块一旦磨损严重需要更换时，更换操作也较图1盘式制动器的结构图活塞护罩活塞密封圈制动钳体自调螺杆密封圈膜片弹簧支承垫圈驻车制动杠杆护罩自调螺杆膜片弹簧驻车制动杠杆推力球轴承挡片自调螺母螺母扭簧活塞Internal Combustion Engine&Parts为简单；六是制动盘与衬块两者之间的间隙较小，一般在0.05-0.15mm，在间隙较小的情况下可以将制动协调时间明显缩短，由此满足自动调整间隙的需求；七是盘式制动器可以较为容易地构成双回路制动系统，双回路制动系统下可以确保车辆运行的安全性和可靠性[1]。
2构建盘式制动器有限元模型在有限元软件的辅助下构建起了盘式制动器关键零部件的三维物理模型。
其中盘式制动器的关键零部件材料的属性情况如表1所示。
为了确保所构建的三维物理模型与盘式制动器的实际工作情况尽可能相一致，需要将相应的位移约束条件施加在各个零部件上，并对其进行网格划分。
其中制动盘之间D需要设置相对大一点，因为增大制动盘的有效半径可以将制动钳的夹紧力适当降低，进而促使摩擦衬块的单位压力和工作温度降低。
但是实际中轮辋直径会限制制动盘直径D，因此一般情况下轮辋直径的70-79%为制动盘直径D的大小。
并且在汽车质量超过2t的情况下，制动盘直径D需要取上限数值[2]。
