地铁列车轴装制动盘热力耦合仿真分析

电制动失效时的摩擦制动热负荷引起的制动盘热疲劳损伤是影响列车运行安全的重要因素。建立地铁列车轴装制动盘摩擦制动三维有限元模型,调查了制动盘在一次常用制动、一次紧急制动两种制动工况时的热-力耦合情况,获得制动盘在两种制动方式下的温度场和应力场。仿真结果表明,不同工况下制动盘面的温度分布具有相似规律,即在制动初期,盘面温度迅速上升并很快达到峰值点166.81℃和151.5℃,随后盘面温度缓慢下降。应力场初始以机械应力为主,随着制动温度的上升,热应力成为主要影响因素。应力场与温度场分布相似,但应力峰值延后于温度峰值出现。热应力在制动中会引起材料损伤积累,导致制动盘疲劳开裂。     

轮轨激励对高速列车轴装制动盘热-机耦合疲劳分析

为研究轮轨激励对高速列车轴装制动盘热-机耦合疲劳影响,建立高速列车制动盘动力学模型和三维瞬态热-机耦合有限元模型,对紧急制动工况下轴装制动盘振动特性和热-机耦合特性进行计算分析。结果表明,高速列车制动盘在垂向上的振动加速度值最大,横向上最小,且振动形式以制动抖动为主,在0～100 Hz范围抖动最剧烈;与无轮轨激励工况相比,有轮轨激励的轴装制动盘表面温度升高得既快又高,在散热时,温度下降也更快;摩擦面总体呈现三个环状温度分布,在摩擦半径中心处制动盘表面温度比两侧温度高,在三个不同的摩擦半径上,温度呈现梯度分布;有、无轮轨激励工况下制动盘表面的疲劳损伤和疲劳寿命的分布云图与制动盘表面的温度场分布情况基本一致,且热应力越大制动盘表面的疲劳损伤越严重,疲劳寿命越短。     

基于长大坡道持续制动的新型制动盘研究

随着我国中西部地区高速铁路的建设,由于长大坡道线路带来的问题日益凸显。在长大坡道行驶时如果电制动出现故障,将采用纯空气制动,长大坡道造成的持续制动会导致制动盘的热负荷急剧上升。由于散热的时效较慢从而导致制动盘温度过高,同时产生较大的温度梯度,从而导致制动盘热疲劳裂纹产生。为了解决长大坡道工况下制动盘的换热效率提升和降温问题,基于兰新线的长大坡道工况,通过设计新型的铝嵌钢结构制动盘,采用有限元分析软件对铝嵌钢结构制动盘和全钢制动盘进行仿真计算,得到温度场和热应力分布。结果表明,在长大坡道采用纯空气制动时,铝嵌钢制动盘可以在实现轻量化的同时明显降低制动盘面的温度和温度梯度,缓解长大坡道制动带来的制动盘热疲劳问题。     

高速列车制动盘瞬态温度场分析

随着列车运行速度的提高,动能急剧增加,制动时产生的热能也大大增加,巨大的制动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度,紧急制动时的制动盘温度状况与其使用寿命密切相关,而如何准确预测制动盘摩擦表面的温度及温度场分布成为研究制动盘寿命的关键技术。研究中建立制动盘的三维模型,采用热弹塑性有限元法,利用能量折算模型、摩擦功率法计算温度场载荷,仿真不同制动工况下制动盘摩擦热负荷产生的温度场。通过仿真分析发现,不同工况下制动盘面的温度变化有着相似的规律。制动开始阶段,随着强热流的不断输入,盘面在很短时间内迅速升温,很快达到峰值点,"摩擦功率"模型的最大瞬时温度普遍高于"能量折算"模型,制动盘最大瞬时温度区域皆位于散热孔的中间靠上部的微小局部区域,并且不是均匀分布。     

基于相变储热原理的高速列车制动盘散热研究

随着我国高速列车速度的不断提高,尤其是长大坡道的存在,使得制动盘的应用环境更加恶劣。由于制动摩擦产生的热量使得制动盘温度快速升高,如果散热不及时,会形成高的热应力,从而导致热疲劳裂纹的产生。因此,高效的制动盘散热问题显得尤其重要。目前,制动盘的散热设计主要采用改变散热筋结构形式,这样的散热效果有一定的局限性。为了进一步降低制动盘的制动温度和热应力,根据相变储热原理,设计制动盘散热结构,通过连续两次紧急制动使得制动盘温度上升。应用有限元分析软件对不同的相变储热材料进行散热分析,得到三种制动盘的温度场和应力场。结果表明,具有相变储热材料的制动盘能够明显降低制动过程中制动盘的最高温度,同时降低了制动盘的温度梯度,从而使得制动盘受到的热应力有所降低,在一定程度上预防了热疲劳裂纹的产生。     

矿车盘式制动器热－结构耦合分析

研究矿车盘式制动器耦合场的分布规律。采用温度场与应力场直接耦合方法,根据矿车制动摩擦副的实际尺寸及热传导的原理,建立摩擦副三维瞬态热-结构耦合的有限元模型,对制动器在紧急制动工况下进行数值模拟。结果表明,耦合场下制动盘温度场、应力场都呈现带状分布,温度与应力的最大值出现在摩擦盘与摩擦片接触挤压处,且应力最大值的出现稍滞后于温度最大值,这说明了二者之间具有耦合特性; 摩擦副径向、轴向具有较大的温度分布梯度,因此会产生较大的热应力,对制动器摩擦副材料造成热冲击和热疲劳,严重时可能会导致制动盘出现裂纹。     

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。     

重载货车高摩擦系数制动闸瓦热负荷研究

采用热-结构顺序耦合对货车高摩擦因数合成制动闸瓦在紧急制动工况和长大坡道调速制动工况下进行热应力仿真分析。结果表明:在紧急制动工况下,闸瓦的最高温度出现在制动28s后,为206.2℃,最大应力出现在制动32 s后,为15.4 MPa;长大坡道调速制动时,最高温度和最大应力都出现在制动结束时,分别达到594.8℃、55.6MPa。仿真结果与实验结果一致,较为真实地反映了整个过程中闸瓦的瞬态温度和应力变化情况,且闸瓦一次制动满足要求。     

高温对汽车灰铸铁制动盘热疲劳裂纹萌生寿命的影响

汽车制动盘的工作温度高、易产生热疲劳,其性能直接影响行车安全,对高温下制动盘的热疲劳裂纹萌生寿命的研究十分必要。首先研究取自汽车制动盘上的灰铸铁HT200试样在500℃下单调拉伸与压缩的性能,对应力—应变曲线进行分析,得到其力学性能参数;接着基于这些参数,对初始温度为400℃时的制动盘在单次紧急制动工况下进行热-结构耦合仿真分析,得到制动盘的温度场和应力场分布;最后利用应变疲劳的方法根据Miner线性累积损伤理论研究500℃下灰铸铁HT200的塑性特性对制动盘热疲劳裂纹萌生寿命的影响。研究结果表明:制动过程中的热应力远大于机械应力,是产生疲劳裂纹的主要原因;高温下制动盘材料HT200的塑性特性对制动盘热疲劳裂纹萌生寿命的影响很大,在研究制动盘裂纹萌生寿命时需考虑高温下塑性特性对寿命的影响。利用制动盘在高温制动过程中的周向应变并考虑高温下材料的塑性特性计算热疲劳裂纹萌生寿命,为制动盘热疲劳寿命的评价打下基础。     

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。     

盘式制动器热-结构耦合的数值建模与分析

在充分考虑移动热源且速度可变效应影响、盘与片摩擦界面间热流耦合的基础上,根据制动盘与摩擦片的实际几何尺哌寸,建立一个紧急制动工况下三维瞬态热-结构耦合的计算模型,运用大型有限元软件ANSYS中的非线性有限元多物理场方法,数值模拟盘式制动器的制动过程.揭示制动过程中制动盘瞬态温度场/应力场的分布规律,发现二者之间存在着耦合关系,二者随制动时间明显地呈现周期性变化,这些周期波动是由移动热源产生的热流冲击和对流换热影响的交替作用所引起的,且其变化周期随制动时间的延长而增大.并初步探讨制动盘产生径向裂纹的原因.     

车联网环境下考虑前方车辆驾驶人意图的汽车主动预警防撞模型

前方车辆驾驶人意图信息对后方车辆预警防撞模型危险判断至关重要,针对传统防撞模型误警率高、制动不及时等问题,设计了一种考虑前方车辆驾驶人意图的汽车主动预警防撞模型。首先,选择BP神经网络（Back-propagation neural network,BPNN）和隐马尔可夫模型（Hidden Markov model,HMM）作为驾驶行为层与驾驶意图层的主体模型,并利用驾驶模拟器采集的前车制动踏板、加速踏板和车速等意图观测数据作为输入构建意图识别模型,从而实现对前车驾驶人加速驾驶、匀速驾驶、正常制动和紧急制动意图的识别;其次,利用车联网将前车驾驶人意图识别结果与路面附着信息传递给后方车辆,建立考虑前车驾驶人意图的汽车主动预警防撞模型,动态判断碰撞危险并调整预警及制动执行逻辑;最后,为验证所提出的意图识别模型准确性和主动预警防撞模型的有效性,搭建基于Simulink、Carsim及PreScan的联合仿真平台,并进行多工况试验测试。结果表明,所提出的BP-HMM模型对前车驾驶人意图的平均识别准确率为94.17%,优于传统BP或HMM识别模型;主动预警防撞模型在预警测试中的平均正警率为93.43%,与TTC、Mazda及考虑后车驾驶人意图的三种模型相比,平均误警率分别降低了16.12%、23.43%和26.67%,且在自动紧急制动测试工况中均能成功避免碰撞,两车最短相对距离大多保持在2～8 m范围内,平均值为3.698 m,具有更高的安全性和稳定性。     

摩擦块形状对制动盘摩擦温度及热应力分布的影响

列车制动产生的摩擦热在制动盘表面的分布与闸片结构密切相关,并影响到制动盘的耐热疲劳程度.基于实际应用的圆形、六边形、三角形3种形状摩擦块的制动闸片,利用有限元分析软件ABAQUS,模拟制动时制动盘的温度及热应力分布情况.结果显示:制动盘摩擦表面温度及热应力呈环形带状分布,沿周向变化不明显,在径向上分布的均匀程度差异较大;其变化程度与摩擦块形状和位置有关,摩擦块为圆形时,盘面的温差和热应力最小,摩擦块为三角形时,盘面的温差和热应力最大;摩擦块的位置分布影响到摩擦副接触弧长度,接触弧长度增加,对应的摩擦环带温度升高;各环带对应的接触弧长度偏差越小,制动盘温度越低,分布也越均匀.     

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。     

基于ANSYS汽车盘式制动器的有限元分析

汽车的制动过程从能量守恒观点来看,是通过摩擦将汽车的机械能转变为制动器的热能,并有一部分热能向大气中耗散的过程。基于ANSYS建立了某汽车盘式制动器三维实体模型,分析了紧急制动工况下盘式制动器的温度场和热应力的分布。     

BRAKE TEST OF SiCp/A356 BRAKE DISK AND INTERPRETATION OF EXPERIMENTAL RESULTS

Material properties are obvious different between aluminum matrix composites and iron and steel materials. After the brake disk braked at the same speed, the average temperature of the aluminum brake disk is 1.5 times as high as one of iron and steel brake disk, the thermal expansion value of the aluminum brake disk is 2 times as big as one of iron and steel brake disk. Mechanical property of the material decreases with the temperature increasing generally during braking, on the other hand, the big thermal stress in the brake disk happens because the material expansion is constrained. Firstly, the reasons of the thermal stress generation and the fracture failure of brake disks during braking are analyzed qualitatively by virtue of three-bar stress frame and sandwich deformation principles in physic, and then the five constraints which cause the thermal stress are summarized. On the base of the experimental results on the 1:1 emergency brake test, the thermal stress and temperature fields are simulated; The behavior of the fracture failure is interpreted semi-quantitatively by finite element analysis. There is the coincident forecast for the fraction position in term of the two methods. In the end, in the light of the analysis and calculation results, it is the general principles observed by the structure design and assembly of the brake disk that are summarized.     

SiCp_A356复合材料制动盘应力场数值模拟与热疲劳寿命预测

以新型颗粒增强铝基复合材料(Sicp_A356)制动盘为研究对象,在试验研究SiCp_A356复合材料常、高温力学本构关系和低周疲劳寿命曲线的基础上,系统地对制动过程中SiCp_A356复合材料制动盘的瞬态温度场、应力应变场以及热疲劳寿命预测方法进行研究.运用热弹塑性有限元分析模型,进行制动盘的多线性随动强化热弹塑性应力应变场数值模拟,结合制动盘载荷特点给出制动盘的疲劳-蠕变损伤分析和寿命预测模型,为高速客车轻型制动盘的结构设计和工程应用提供了参考.     

仿生制动盘表面温度场与应力场的计算机模拟

根据天然生物与生俱有的高效散热原理,设计三种可抑制温升,从而预防磨损和疲劳的仿生车辆制动盘,并建立三维计算模型。借助于有限元分析软件ANSYS,研究比较这三种表面形态的仿生制动盘和常规制动盘在紧急制动工况下,温度场和应力场的大小及变化趋势。结果表明,仿生制动盘能够降低制动盘表面的温度梯度和应力集中,从而可减小由于循环应力而导致的热疲劳趋势,其降低幅度从大到小依次为具有网格状凹槽的仿生制动盘、具有放射状凹槽的仿生制动盘和具有环形凹槽的仿生制动盘。摩擦生热降低和散热性的提高是温度梯度下降的主要原因。该模拟研究为今后仿生制动盘的优化设计和试验研究提供了重要参考依据。