机车制动盘三维瞬态温度场与应力场仿真

基于三维循环对称有限元模型,提出了机车制动盘制动过程中温度场和应力场的计算方法。讨论了边界条件和各种相关参数的确定方法,尤其是机车整个制动过程中制动盘换热系数的计算方法。同时运用有限元软件ANSYS7进行了制动盘及相关部件三维瞬态温度场和应力场的仿真与分析。仿真结果表明:在制动开始阶段,制动盘迅速升温,高温区集中在制动盘摩擦面表层,最高温度达220℃;制动过程结束后,整个制动盘有一段较长时间的降温过程;制动盘系统各部分的最大热应力-时间曲线变化规律不一致,但均满足材料强度要求。仿真结果与实验数据相符,证明了该三维有限元模型及其温度场计算方法的正确性。     

超深井提升机制动盘热应力场数值分析研究

基于顺序耦合法和直接耦合法,对超深矿井提升机制动盘热应力数值计算相关的热载荷计算方法、有限元建模及分析流程进行了研究,并对超深矿井提升机紧急制动过程中制动盘的温度场和热应力场进行了数值模拟,获得了紧急制动工况下制动盘的温度场和热应力场及其变化规律。同时,从有限元建模、计算时间、收敛性及计算结果的准确性等方面对各计算方法进行了对比分析。结果表明:紧急制动工况下目标提升机制动盘的温度和热应力满足设计要求;在提升机制动盘热应力计算方面,直接耦合法优于顺序耦合法。     

Analvsis of the thermal-structural coupling for the brake of wind-turbine generation

针对制动器紧急制动时制动盘的旋转运动规律,根据风电制动器的实际结构和热传导的基本理论,建立了制动盘的温度场的数值模型,提出了循环迭代的计算方法,并用ANSYS有限元软件模拟了制动盘的温度场.将温度场中的热单元转化成结构单元实现热-结构的间接耦合,采用184单元刚性梁特性来带动制动盘转动,从而来模拟制动盘的减速运动,在充分考虑温度场和应力场的耦合关系的情况下,提出了分步加载的方法来计算制动盘的应力场.模拟结果表明:制动盘摩擦区域的点的等效应力分布与其温度场的分布基本一致.     

风电制动器的热—结构耦合分析

针对制动器紧急制动时制动盘的旋转运动规律,根据风电制动器的实际结构和热传导的基本理论,建立了制动盘的温度场的数值模型,提出了循环迭代的计算方法,并用ANSYS有限元软件模拟了制动盘的温度场。将温度场中的热单元转化成结构单元实现热-结构的间接耦合,采用184单元刚性梁特性来带动制动盘转动,从而来模拟制动盘的减速运动,在充分考虑温度场和应力场的耦合关系的情况下,提出了分步加载的方法来计算制动盘的应力场。模拟结果表明:制动盘摩擦区域的点的等效应力分布与其温度场的分布基本一致。     

制动盘制动过程的热-机耦合仿真

在部分盘和整盘间接耦合模型的基础上,考虑制动盘的结构特点及在应力计算过程中施加的对称性约束,建立制动盘、闸片和盘毂之间的三体接触弹塑性热机耦合模型,使制动盘和闸片的相对运动得以实现。通过该模型的模拟结果和测试结果相比较的方法,证明该耦合模型的计算结果能够较为真实地反映制动过程中制动盘的温度场和应力应变场的分布情况,实现了模拟结果和测试结果相一致,体现温度场和位移场的相互作用,达到温度场和应力场的直接耦合的目的。采用弹塑性热机耦合方法分析制动盘在制动过程中热斑的形成。     

动车组铸钢制动盘裂纹扩展寿命预测

为研究动车组铸钢制动盘出现裂纹后裂纹扩展速率和扩展寿命,根据制动盘材料参数,使用ANSYS软件建立制动盘的循环对称三维瞬态计算模型,采用间接耦合方法计算制动盘的温度场和应力场,得到在动车组速度为300 km/h的工况下,裂纹处的温度为355.33℃。以温度计算结果作为初始载荷计算制动盘热应力,制动盘最大热应力为899 MPa,盘面裂纹处的应力为501 MPa。并将计算结果作为计算制动盘的载荷输入到NASGRO中,对裂纹扩展速率和扩展寿命进行计算和分析。计算和分析结果表明,此材料制动盘径向裂纹长度尖端处的应力强度因子和扩展速率均高于深度尖端处;计算得出制动盘裂纹扩展寿命为制动48 831次,为该制动盘的使用提供参考。     

制动盘制动过程的热—机耦合仿真

在对制动盘的结构特点进行充分考虑后,计算应力过程中对制动盘施加的对称性约束,然后在此基础上建立以制动盘、盘毂和闸片为主的三体接触弹塑性热机耦合模型,这样能够实现制动盘和闸片的相对运动。而对该模型的结果进行比较后,能够证明建立的耦合模型对制动盘在运行过程中的温度场和应力应变场的分布情况进行真实记录,保证了模拟的结果和测试结果的一致性。能够完成温度场和应力场的直接耦合的目的。     

基于ANSYS Workbench的盘式制动器热-机耦合分析

为进一步研究盘式制动器在制动过程中的行为,在建立盘式制动器热-机耦合简化计算模型的基础上,考虑温度变化对材料物理性能和摩擦因数的影响,运用ANSYS Workbench模拟分析不同制动初速度与不同制动压力下制动盘的热-机耦合特性,并从制动盘径向、周向、轴向等维度对其温度场与应力场进行了研究。结果表明：盘式制动器在紧急制动过程中,温度和应力的最大值与制动初速度和制动压力成正相关;制动初速度和制动压力对制动盘温度场和应力场有较大的影响,其中制动压力对制动盘温度和应力最大值的影响比制动初速度更加明显;制动盘温度与等效应力在圆周上都呈环带状分布,二者具有一致性,制动盘达到温度最大值早于达到应力最大值,二者之间具有耦合特性;制动盘温度在径向和轴向上存在较大的温度梯度,从而引起较大的应力变化。研究结果为探索制动盘温度场、应力场分布规律和制动盘在不同工作状态下的热-机耦合特性提供了参考。     

结构布局优化对闸片温度场的影响

为提高高速列车制动系统中制动盘的使用寿命,参照动车组制动盘和闸片的实际尺寸,基于结构因子概念对摩擦块构成的闸片结构布局进行优化;应用有限元分析方法对优化前后的制动盘和闸片实体模型的温度场进行分析,得出优化前后制动盘和闸片的温度场分布。结果表明:优化后的闸片结构布局使制动盘的最高温度显著下降,且使制动盘和闸片在径向分布的温度均匀化程度显著提高;结构因子可以表征制动盘温度场的分布趋势,通过优化圆柱形闸片的结构因子,可优化制动盘及闸片温度场分布。     

基于微元法的高速制动盘瞬态温度场仿真分析

高速列车制动时,制动盘摩擦表面的温度场直接影响制动盘表面磨损、相变、热裂纹及其使用寿命。以某型高速列车基础制动装置现役锻钢制动盘为研究对象,建立热载荷模型:考虑制动闸片几何形状和分布对热流密度的影响,建立了基于微元法的摩擦面热流密度计算模型;由于热辐射计算的非线性求解特性,将热辐射系数折算成等效对流换热系数,建立了对流换热模型与辐射换热模型相结合的综合换热模型。考虑到制动盘面和散热筋几何截面的突变性,建立了由盘面和散热筋六面体网格与接触部位过渡网格构成的制动盘热分析有限元模型。对高速列车在200km/h速度下紧急制动时制动盘瞬态温度场进行仿真分析。得到制动盘温度分布规律和温度变化曲线,为制动盘选材及结构优化提供相应理论参考。     

基于温度场的磨齿热特性研究

根据七轴五联动螺旋锥齿轮磨齿机的结构模型和数控磨削原理,采用热传导和矩形移动热源理论及有限元分析方法,建立了磨齿温度场有限元分析3D模型和磨齿瞬态温度场。由此,对热和结构两个物理场进行耦合,仿真分析了磨齿瞬态热特性。实例分析表明,磨齿瞬态最高温度远高于磨齿稳态温度,且位于磨削弧中心;其它各点的瞬态温度,随位置、时间以及其它影响因素的不同,呈现不同的变化规律。磨齿瞬态热应力、热变形与磨齿瞬态温度密切相关,同时还受结构、材料特性和磨削条件等因素影响,磨齿瞬态最大热应力与热变形位于磨齿瞬态最高温度附近。在其它条件相同时,采用油基磨削液的瞬态最高温度、热应力与热变形均比采用水基磨削液时要大。这些研究为控制螺旋锥齿轮磨削质量以及磨齿热变形的修形提供了依据。     

螺旋锥齿轮磨齿温度场研究与应用分析

根据螺旋锥齿轮的数控磨削原理,采用热传导和矩形移动热源理论及有限元分析方法,建立了磨齿温度场有限元分析3D模型和磨齿瞬态温度场。对热和结构两个物理场进行耦合,仿真分析了磨齿瞬态热应力和热变形。实例和试验分析表明:磨齿瞬态最高温度远高于磨齿稳态温度,且位于磨削弧中心;其他各点的瞬态温度,随位置、时间以及其他影响因素的不同,呈现不同的变化规律。磨齿瞬态热应力、热变形与磨齿瞬态温度密切相关,同时还受结构、材料特性和磨削条件等因素的影响,磨齿瞬态最大热应力与热变形位于磨齿瞬态最高温度附近。在其他条件相同时,采用油基磨削液的瞬态最高温度、热应力与热变形均比采用水基磨削液时要大。     

Some studies on temperature profiles in AISI 304 stainless steel sheet during laser beam welding using FE simulation

The investigation of transient temperature profiles of a weld joint produced by the laser welding process is presented. A three-dimensional finite element model is developed using a commercial finite element code ANSYS in order to obtain the behavior of temperature field and molten pool shape during the welding process. A three-dimensional conical Gaussian heat source is employed as a heat source model for performing a non-linear transient thermal analysis. The temperature-dependent material properties of AISI 304 stainless steel sheet are taken into account, which has a great influence on the temperature fields indicated by the simulation results. The effect of latent heat and the convective and radiative boundary conditions are also included in the model. A series of laser welds are performed using a 2-kW continuous wave Nd:YAG laser welding system. The experimental trials are conducted by varying the laser input parameters namely beam power, welding speed, and beam incident angle to validate the model. The results show that there is a good agreement between the finite element simulation and the experimental observations.     

旋转齿轮瞬时接触应力和温度的分析模拟

建立了高速齿轮传动轮齿瞬时接触温度的分析方法和模型;采用赫兹接触理论和有限元接触分析方法分析了标准渐开线齿廓和齿顶修形齿廓的齿面接触压力;研究了啮合过程中轮齿的相对滑动速度和齿面摩擦因数以及摩擦热流密度的计算方法;建立了轮齿本体温度的有限元温度分析模型;计算了轮齿接触面的瞬时温升;分析了标准和齿顶修形渐开线齿轮的轮齿本体温度和瞬时接触温度及相关因素对它们的影响。     

中频感应加热器在机械装拆中的运用

介绍了中频感应加热器的原理、结构和系统组成，并用Ansys有限元分析软件的磁一热耦合分析功能，对中频感应器加热进行了计算机数值模拟分析，用顺序耦合的方法计算了热磁耦合作用下的温度场分布。系统利用单片机的优良控制功能，实现了对所需加热工件进行时间或温度的自动控制。     

薄板点焊热过程的有限元分析

基于ANSYS有限元分析系统,建立用于点焊瞬态热过程分析的电热耦合有限元模型,考虑随温度变化的材料特 性参数、相变以及对流边界条件等,对点焊过程中的接触问题进行适当简化。通过对低碳钢薄板点焊过程的分析,得到 点焊接头的温度场及各部位的热历程,模拟了焊核形成过程,求得焊核及热影响区的形状和尺寸。     

分析法的瞬态高温外推实验研究

为了拓展蓝宝石光纤黑体腔温度传感器的测温范围和提高其测温精度,提出了一种瞬态高温测试的拓展方法。用磁控溅射法在蓝宝石光纤一端镀制一层氧化锆陶瓷材料形成黑体腔,分析了黑体腔的传热规律,并建立了黑体腔的传热数学模型,用分析法求解了黑体腔传热数学模型,设计了实验验证方法,对黑体腔传热数学模型和分析求解法进行了实验验证。实验结果表明,利用分析法得出的外推结果与红外测温仪测到的结果在变化趋势和最高值处表面出了较好的一致性,证明了黑体腔传热数学模型与分析求解法是正确的。     

Calculation of design sensitivity for large-size transient dynamic problems using Krylov subspace-based model order reduction

Nowadays, transient dynamic responses of a large-size finite element (FE) model can be solved within a reasonable computation time owing to rapid improvement in both numerical schemes and computing resources. However, increasing demands for accurate simulation and complicated modeling have led to larger and more complex finite element models, which consequently result in considerably high computational cost. In addition, when structural optimizations include transient responses such as displacement, velocity, and acceleration, the optimizations often do not end within a reasonable process time because the large-size simulation must be repeated many times. In order to reduce the computational cost in this respect, model order reduction (MOR) for the original full-order model (FOM) can be used for the transient response simulation. In this paper, a transient dynamic response analysis using Krylov subspace-based MOR and its design sensitivity analysis with respect to sizing design variables is suggested as an approach to the handling of large-size finite element models. Large-size finite element models can incur the problem of a long computation time in gradient-based optimization iterations because of the need for repeated simulation of transient responses. In the suggested method, the reduced order models (ROMs) generated from the original FOMs using implicit moment-matching via the Arnoldi process are used to calculate the transient response and its design sensitivity. As a result, the speed of numerical computation for the transient response and its design sensitivity is maximized. Newmark’s time integration method is employed to calculate transient responses and their design sensitivities. In the case of the transient sensitivity analysis, we apply a temporal discretization scheme to the design sensitivity equation derived by directly differentiating the governing equation with respect to design variables. This methodology has been programmed on the MATLAB with the FE information extracted from the FE package ANSYS. Two application examples are provided to demonstrate the numerical accuracy and efficiency of the suggested approach. The relative errors of transient response and design sensitivity between the FOMs and ROMs are also compared according to the orders of the reduced model. Calculation of transient dynamic responses and their sensitivities using Krylov subspacebased MOR shows a sizeable reduction in computation time and a good agreement with those provided by the FOM.     

生物质旋转锥反应器的瞬态传热有限元模拟分析

根据传热学理论,提出了一个二维转锥反应器的有限元模型,该模型主要考虑了热传导、热对流和边界条件等因素的影响。利用大型有限元软件ANSYS对转锥反应器瞬态传热过程进行了模拟计算,分析了瞬态传热时转锥在不同时刻的温度场分布,并通过与实际温度的对比,验证了该模型的可靠性。为转锥反应器的虚拟制造和优化设计提供了新的方法和途径。同时,也为进一步的分析转锥的热应力奠定了一定的基础。     

有质量偏心的转子-轴承系统瞬态性能的研究

考虑轴承的瞬态温度场,用仿真法对有质量偏心的转子-轴承系统的瞬态性能进行了研究.分别将考虑轴承三维、二维绝热和不考虑温度场时用仿真法得到的轴心运动轨迹与用线性化油膜动特性系数特征值法得到的轴心运动轨迹做了比较.结果表明,温度对轴心轨迹的影响很大,考虑不同温度模型的轨迹有很大的不同;另外验证了用线性化油膜动特性系数特征值法求轴心轨迹只适用于小扰动情况下的结论.