基于ANSYS的高速列車剎車制動分析

2017-09-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

動力制動和摩擦制動是高速列車實(shí)現(xiàn)停車所必不可少的制動方式。與傳統(tǒng)的踏面制動方式相比,盤形制動方式具有動能轉(zhuǎn)移能力大,摩擦性能好,制動平穩(wěn),制動結(jié)構(gòu)簡單、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)。盤形制動的安裝方式主要有以下幾種方式:

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圖1盤形制動的安裝方式

目前,關(guān)于制動盤的研究主要有三個方面的研究:制動盤材料的研究,制動盤制動過程的數(shù)值模擬;制動盤制動性能的研究。目前應(yīng)用的制動盤材料主要有:鐵系材料、粉末冶金材料、C/C復(fù)合材料以及陶瓷制動材料。西北工業(yè)大學(xué)的C/C復(fù)合材料研究走在前列,其開發(fā)的C/C復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用航天飛機(jī)中的剎車系統(tǒng)中。

制動是一個復(fù)雜的過程,涉及到摩擦學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)、材料學(xué)等多個方面因素交互作用的過程。本文采用數(shù)值模擬技術(shù),借用ANSYS軟件,在熱-力耦合條件下,分析了高速列車時速在300km/h制動過程中的制動力的劇烈變化引起的制動盤表面溫度場、應(yīng)力場變化的瞬態(tài)過程。

1、模型的建立

制動盤工作時的熱量產(chǎn)生于制動盤和閘片表面的摩擦。一部分熱量通過各種途徑散發(fā)出去,另一部分在制動片內(nèi)部積累,是其溫度不斷升高。本文所選用的制動盤相關(guān)物理尺寸及材料參數(shù)如下所示:

表1 制動盤相關(guān)物理尺寸及材料參數(shù)

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2、網(wǎng)格的劃分

單元選擇熱應(yīng)力單元Solid70。模型中可以建立六面體網(wǎng)格劃分,然后建立輪盤、散熱筋、輪軸的接觸。本文采取整體建立模型,利用四面體網(wǎng)格劃分。節(jié)點(diǎn)數(shù)量為206748,單元數(shù)量為949320。

對于摩擦的輪盤,在轉(zhuǎn)動的過程中閘片不斷改變與輪軸的接觸位置,在有熱流密度的同時,也和外界空氣進(jìn)行熱對流,因此可以選用表面效應(yīng)單元esurf52。

3、載荷的施加

計(jì)算中載荷的施加主要有兩種,一種是熱流密度,另外一種是與空氣的對流換熱。在溫度上升不是很高的情況下,可以將輻射忽略。

3.1熱流密度

由于制動盤實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器,將列車的動能轉(zhuǎn)化成為熱能,本文將動能轉(zhuǎn)換成的熱能以熱流密度的方式加載到制動盤的摩擦環(huán)上。

任意時刻產(chǎn)生的熱量:

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式中M為每盤承擔(dān)的制動質(zhì)量,即軸重除以盤數(shù)。V0是列車的初速度,V是列車任意時刻的行駛速度。將熱量對時間求導(dǎo),再除以摩擦面積即得到任意時刻的熱流密度函數(shù),η為動能轉(zhuǎn)換為熱能的效率,即:

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3.2對流換熱系數(shù)

氣體的流動狀態(tài)分為層流,紊流、緩和邊界層等狀態(tài)。高速列車運(yùn)動時候,列車相對空氣的運(yùn)動速度接近聲速,需要根據(jù)相應(yīng)的特征數(shù)來判斷氣體的流動狀態(tài),繼而決定輪盤與空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。跟據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),本文選用的制動盤對流換熱系數(shù)為:

式中Pr為普朗特常數(shù),通常取為;λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù),通常取為;L為壁面長度,取制動盤平均摩擦半徑周長;u為空氣流動速度,為更好求解計(jì)算,假設(shè)制動盤各個位置的空氣流動速度都約等于列車速度v;λ為空氣的運(yùn)動粘度。

由于在加載過程中,模型的每一步中熱流密度和散熱系數(shù)根據(jù)列車速度的不同而不同,因此選用循環(huán)的加載方式,每一次加載之前都刪除之前的載荷,同時利用函數(shù)加載的方式進(jìn)行加載

4、溫度場結(jié)果分析

圖3分別為制動盤在7S,37S,61S,91S(制動結(jié)束)時科的溫度分布。從中可以看出,制動開始時,溫度快速上升,在7S的時候溫度分布已經(jīng)達(dá)到200℃。這說明,開始制動時,流入制動盤的熱量遠(yuǎn)大于制動盤向空氣中散出的熱量,短時間內(nèi)熱量來不及散出,因此制動盤快速升溫。當(dāng)流入熱量等于散熱時,溫度達(dá)到最高值,當(dāng)流入熱量小于散出熱量時,制動盤溫度開始下井,一直到列車結(jié)束。

圖4為制動盤最高溫度隨時間的變化曲線,可以看見,大約在60S的時候,散熱盤的溫度達(dá)到最高值,溫度達(dá)到460攝氏度。同時溫度對時間的斜率可以看出,溫度快速升高,緩慢升高,達(dá)到最大值后,開始降溫。

圖4 制動盤溫度隨時間的變化

5、應(yīng)力場結(jié)果分析

實(shí)際制動過程中,制動盤所受的機(jī)械載荷包括:旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、震動載荷、壓載載荷等相應(yīng)的作用力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知,與摩擦熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力相比,忽略掉這些因素。由于制動盤是固定在車軸上的,因此在其內(nèi)徑處的接觸面,固定其各個方向的位移,而軸盤是對稱的,固定對稱面上Z方向的位移。然后倒入熱分析結(jié)果文件中的節(jié)點(diǎn)溫度值作為載荷,即可求得熱應(yīng)力場。

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