风电制动器的热—结构耦合分析

LO6机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE第1期2012年1月文章编号LOOT一3997201201010603风电制动器的热一结构耦合分析术董惠敏孙守林王新波大连理工大学机械工程学院，大连116024ANALYSISOFTHETHERMALSTRUCTURALCOUPLINGFORTHEBRAKEOFWINDTURBINEGENERATIONDONGHUIRAIN，SUNSHOULIN。WANGXINBOSCHOOLOFMECHANICALENGINEERING，DALIANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，DALIAN116024，CHINA【摘要】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一结构的间接耦合，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。关键词制动盘；温度场；耦合；应力场【ABSTRACT】ECCTOTHEROTATINGLAWOFBRAKEDISCINEMERGENTLYBRAKING,ACCORDINGTOACTUALSTRUCTUREOFWINDPOWERBRAKEASWELLA8THETHEORYOFHEATTRANSFER，ANUMERICALMODELOFTEMPERATUREFIELDFORTHEBRAKEDISCISESTABLISHED，ANDACALCULATIONMETHODOFITERATIVEISPRESENTED；WITHANSYSFINITEELEMENTSOFTWARETHEBRAKEDISCTEMPERATUREFIELDISSIMULATEDTOCONVERTTHETHERMALUNITINTEMPERATUREFIELDINTOSTRUCTURALUNITTOACHIEVETHEINDIRECTCOUPLINGOFTHERMALSTRUCTUREMEANWHILEBYADOPTINGTHE184UNITWITHRIGIDBEAM厂EATURETHEROTATINGDISCISDRIVENTOROTATETHEBRAKEDISCINORDERTOSIMULATETHEDECREASINGOFTHEBRAKINGDISCTHEREFOREAMETHODOFSTEPBYSTEPLOADINGISPRESENTEDTOCALCULATETHESTRESSFIELDOFTHEBRAKINGDISCIN_厂HLLYCONSIDERINGTHECOUPLINGRELATIONSHIPOFTHETEROPERATUREFIELDANDSTRESSFIELDTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEEQUIVALENTSTRESSDISTRIBUTIONOFTHEPOINTATTHEFRICTIONAREAOFTHEBRAKEDISCISBASICALLYCONSISTENTWITHITSTEMPERATUREFIELDDISTRIBUTIONKEYWORDSBRAKE；TEMPERATUREFIELD；COUPLING；STRESSFIELD中图分类号TH16，U26035L文献标识码A1引言风电制动器是风力发电机上的关键部件，其制动性能对风机的正常运转起着非常重要的作用。制动器的热弹性不稳定是一种典型的热弹性耦合问题。制动摩擦表面的温度模型一般采用BLOCK1的典型模型半无限体平面受单一集中热源，后来JAEGER对这一理论进行了发展，提出了在半无限体表面的矩形的移动热源的数学模型目。一些科研人员日最早运用数值模拟的方法来研究盘式制动器的热弹性不稳定现象，但其模型是轴对称的。一些科研人员用GREEN公式和傅立叶变换相结合的方法求解了HERTZ接触的瞬态热弹性问题。国内对摩擦制动器的研究尚不是很成熟，一些科研人员_引利用非线性有限元多物理场方法模拟厂制动器的温度应力分布，但其模型根本没考虑摩擦热流和散热对制动盘的交替作用。科研人员【眶用有限元软件MSCMAR分析了高速列车制动盘瞬时温度场的分布特征及制动盘表面的热循环历程，但其将制动盘当作不动，未考虑温度和应力之间的耦合关系在综合总结制动器热耦合的理论后，根据热传导的基本理论，建立_制动盘的温度场的数值模型以及边界条件，然后用ANSYS有限元软件对其进行了温度场的模拟，最后用184单元带动制动盘转动，采用间接耦合法分析了制动盘的等效应力，发现了制动盘的等效应力分布和其温度场的分布基本一致。2制动器温度场的计算与分析21热传导方程根据热传导理论，直角坐标系下导热微分方程的一般形式为OT鲁【A1OF、A升TA卜1式中P一密度，KGM；C一比热容，JKGK；卜一温度，；一导热系数，WRNI。22模型的假设条件针对风电制动器的实际结构图形，对温度场的模型提出以下假设条件。1盘片的接触界面为理想界面，能使主、从界面完全接触；2在摩擦制动过程中，摩擦符合库仑定律。由于紧急制动时问非常短，假设在整个制动过程中，摩擦系数不变；3由于制动盘是关于中间截面完全对称的，因此，假设制动盘的两侧的热载荷完全一样，所以在分析时只取制动盘的一半进行分析；4不计材料磨损以及摩擦热量损失的影响，假定在制动过程中，制动盘的动能完全转换为摩擦热；5假设制动盘是按照匀减速制动。制动盘和片的三维图，如图1所示。23制动盘及制动衬片的几何模型由于制动盘关于中问截面对称，考虑到制动盘对称面受到一样的载荷，因此建模时只考虑盘的一半模型，利用ANSYS有限元软件对其进行映射网格划分，得到的三维网格模型，如图2所示。女来稿日期20110321基金项目国家“863”高科技计划资助项目2006AA04Z101L08机械设计与制造NO1JAN20122995泉299趟褂2985赠2982975R44D；。，1637一一；土0_一一R1O895；U01152Z5335445时间SB图4Z0，P10时间0时制动盘上不同半径点的温度时变图3制动盘的热一结构耦合31热一结构分析的有限元分析模型这里的热一结构耦合是将前面生成的温度场中的热单元转化成结构单元，然后将热分析生成的RTH文件作为体载荷加载到制动盘结构分析文件上。采用184单元带动制动盘转动来模拟制动盘的减速运动，单元图形，如图5所示。由于前面进行热分析是采用的循环迭代方法，可以得到各个时间段的温度场，为反映制动器的相互耦合关系，采用分步加载温度场文件的方法来进行耦合首先让制动盘转动在第一个等时间内所对应的角度，加载第一个等时问的温度场NH文件，接着求解，然后继续让制动盘转动在第二个等时间AT内所对应的角度，加载第二个等时间AT的温度场RTH文件，求解，如此反复，直到制动盘停止转动。同时，制动盘的热耦合也是接触分析，采用170目标单元、174接触单元进行接触分析。制动盘约束以及载荷条件为将制动盘的内孑L的自由度全部耦合在主节点0点上，在、L，和Z方向的平动自由度以及和Y方向的转动自由度全部约束，同时将制动盘的中间截面施加Z方向的约束；在184单元的主节点上施加Z方向的转动；制动衬片的约束以及载荷条件为将制动背板S。的，L，方向约束，施加Z方向的压力。有限元计算模型图，如图6所示。图5184梁单元图形图6有限元计算模型图32耦合计算与分析首先分析在没有温升的情况下制动盘的等效应力，经计算可得制动盘最大等效应力为4155MPA，最大应力发生在制动盘内圈上。下面分析考虑温升时制动盘在不同时刻的等效应力，制动盘的应力随着其温度的增加而增加。在05S时，制动盘的最高等效应力为137MPA，比没温升时制动盘的最高应力大幅提高；在3S时，制动盘的最高等效应力已经达到343MPA，这说明制动盘受制动衬片以及离心力所产生的压力远不及其表面由于热膨胀所产生的热应力，其等效应力分布比较均匀，表面摩擦区域处的应力最大；从44471S制动结束这段时间内，制动盘表面摩擦区域受等效应力逐渐变得分布不均，而其它区域应力分布比较均匀，这显然和其表面温度场的分布有很大的关系。在ZO，00开始制动时制动盘不同径向半径上点的等效应力随时间变化的曲线，如图7所示。从图中可以看出，等效J立力一般都随着时间的增加而增大。图中的三条曲线R24526、30368、36211的等效应力在制动开始阶段上升比较快，在大约25S左右的时候，其等效应力达到最大值，之后等效应力开始下降；而其他4条曲线R分别为10895、16737、40105、440的等效应力则是一直上升，但变化比较平稳，上升比较缓慢，等效应力值也明显要比前三条曲线的等效应力要小，这主要是因为前面三条曲线的点刚好在制动摩擦区域位置处于径向半径R200,400之间，这个区域的温度值比较高，并且温度梯度比较大，因而导致热应力很大，同时在该区域的温度梯度受热流密度变化的影响，温度梯度先增大然后减小，故等效应力会先变大，后变小；而在制动摩擦区域之外的点由于只是受热传导的影响，其温度值比较小，但温度梯度则是在缓慢增大的，故等效应力会比较小，并且一直在增加。时I可S图7Z0，00时间T0时制动盘上不同半径点的等效应力时变图4结论对制动器紧急制动过程进行了热耦合模拟分析，模拟结果揭示了制动盘制动过程中温度和等效应力的变化及分布规律。1制动盘的等效应力图和温度分布图都成时变的特性，对比可以看出制动盘的应力场的分布和其温度场的分布基本一致，两者之问存在着耦合关系。2采用循环迭代的方法计算制动盘的温度场以及应力场，模拟了制动盘的制动过程，计算结果直观，是一种比较好的研究方法。3制动盘受热膨胀所产生的热应力远大于其由于制动压力、摩擦力等作用所产生的应力。参考文献1BOLKHTHEFLASHTEMPERATURECONCEPTJWEAR，196364834932OOEVTUSHENKO，EHIVANYK，NVHORBAEHOVAANALYTIEMETHODSFORTHERMMCALCULATION0FBRAKESREVIEWJMATERIALSSCIENCE，2000，3668578623KENNEDYFE，LINGFFATHERMAL，THERMOELASTIE，ANDWEARSIMULATIONOFAHIGHENERGYSLIDINGCONTACTPROBLEMJJASMEJLUBRTECHNOL，19741974975084AZARKHINA，BARBERJRTRANSIENTTHERMOELASTICCONTACTPROBLEMOFTWOSLIDINGHALFPLANESJWEAR，1