（轮机工程专业论文）带式制动器有限元分析与试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 “十一五”是我国造船业向第一造船大国目标迈进并实现由大到强发展的 关键时期，但船舶配套设备发展的滞后，将严重制约我国船舶工业的健康发展。 锚机用带式制动器作为船舶配套机械的重要组成部分，由于目前使用的设计方 法速度慢、效率低、不能对它的性能进行全面的分析和计算。为了在制造成本、 周期和市场快速响应等方面满足市场需求，提高产品的竞争力，需对其进行系 统分析。 本文以某超级油轮锚机用带式制动器作为研究对象，建立了制动带、沉头 螺钉和摩擦片的三维实体模型，应用有限元法进行了机械应力场、瞬态温度场 的分析研究，并对其进行了动态应变电测试验，校验了有限元分析模型。具体 研究工作包括： 1 从挠性体摩擦及传热问题的基本理论出发，进行了带式制动器在额定工 况下及制动工况下的受力分析及热载荷的理论计算，为有限元分析模型边界条 件的确定提供依据， 2 应用建模软件s o l i d w o r k s 建立了带式制动器的三维实体模型。 3 应用m s c p a t r a n m s c n a s t r a n 软件对带式制动器进行了额定工况下的机 械应力分析，且对该工况下的带式制动器表面进行了动态应变电测试验。通过 有限元分析结果与所测点应力值对比，验证了有限元分析模型的正确性，为对 带式制动器进行摩擦接触的数值仿真提供理论支持。 4 研究了带式制动器制动工况下的应力分布、制动带与摩擦片连接沉头螺 钉的受力情况，校核了带式制动器与沉头螺钉的强度。 5 应用m s c p a t r a n m s c m a r c 软件对带式制动器进行了制动过程瞬态温度 场分析，揭示了摩擦片和制动带的温度分布及变化情况。 本文的计算分析结果为进一步进行带式制动器的热分析打下了良好的基 础，且对带式制动器及其它摩擦副的设计具有参考价值。 关键词；带式制动器，有限元分析，摩擦接触，应力场，温度场 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t “t h e1 1 t hf i v e - y e a rp l a n ”o fc h i n ai sac r u c i a lp e r i o do fd e v e l o p m e n tf o r s h i p b u i l d i n gi n d u s t r y ，w h i c h t ob et h e l a r g e s ts h i p b u i l d e r h o w e v e r ，t h e d e v e l o p m e n to fs h i p b u i l d i n ge q u i p m e n ti sd e l a y e d ，w h i c hw i l ls e r i o u s l yc o n s t r a i n e d c h i n a ss h i p b u i l d i n gi n d u s t r y sh e a l t h yd e v e l o p m e n t b a n db r a k ei sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fs h i p b u i l d i n gm a c h i n e r y ，b u tt h e c u r r e n t l y u s e dm e t h o di ss l o wa n di n e f f i c i e n t ,s oi tc o u l dn o tc o n d u c ta c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n t oc u tt h em a n u f a c t u r i n gc o s t ， s h o r tt h em a r k e tc y c l e , s a t i s f yt h em a r k e td e m a n da n di m p r o v et h ec o m p e t i t i v e n e s s o ft h ep r o d u c t s s oi tn e e d sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h et h e s i sr e g a r d st h eb a n db r a k eo fv l c c 勰t h er e a r c ho b j e c t t h e 3 d m o d e lo ft h eb r a k eb a n d , c o u n t e r s u n kh e a db o l ta n df r i c t i o nf l a k ea r e e s t a b l i s h e d , a n dt h em e c h a n i c a ls t r e 醛f i e l da n dt r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da r e a n a l y s e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ed y n a m i cs t r a i nt e s tr e s u l to fb a n db r a k ei s o b t a i n e d , w h i c ht oc h e c kt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l t h et h e s i sm a i n l yc a r r i e d o nt h ed i s c u s s i o ni nt h ef o l l o e s dr e s p e c t s ：， 1 、t h eb a s i ct h e o r yo ff l e x i b l ef r i c t i o na n dh e a tt r a n s f e ra r ee l a b o r a t e d , f o r c e a n a l y s i sa n dh e a ti o a dc a l c u l a t i o na r ed e r i v e d , w h i c hp r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l 2 、t h e3 d - m o d e lo ft h eb r a k eb a n da r ee s t a b l i s h e db yt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e o fs o l i d w o r k s 3 、t h em e c h a n i c a ls t r e s sf i e l da n a l y s i so fb r a k eb a n di sa n a l y z e dw i t ht h e l a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em s c n a s t r a n , a n dt h ed y n a m i cs t r a i n t e s tr e s u l to fb a n db r a k ei so b t a i n e d c o m p a r e dt h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s w i t ht h es t r e s so ft h em e a s u r e dp o i n t ，w h i c hp r o v e dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l i sc o n e c t n e s s ，a n dp r o v i d e dt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h eb a n db r a k e sm o d e l 4 、t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fb a n db r a k ea n dc o u n t e r s u n kb e n db o l ti ss t u d i e d , a n dt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i si sc a r r i e do u to nt h es t r e n g t ho fb r a k eb a n d n 武汉理工大学硕士学位论文 5 、t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i so fb a n db r a k ej sa n a l y z e dw i t ht h e l a r g e - s c a l en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em s c m a r c , a n d t h er e g u l a t i o n o fd i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d sa r es h o w e di nt h i sp a p e r 订| cc a l c u l a t e dr e s u l t so ft h et h e s i sa l et h eb a s i cf o rf u l l e rr e s e a r c ht h e 坊e r m a l a n a l y s i so fb a n db r a k e , w h i c hw i l lp r o v i d er e l i a b l ew a r r a n t sf o rt h ed e s i g no fb a n d b r a k ea n do t h e rb r a k e s k e yw o r d s ：b a n db r a k e ，f e a ，f r i c t i o n a lc o n t a c t ，s t r e s sf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d m 武汉理工大学硕士学位论文 本文主要符号表 f 拉力( 单向应力状态下的拉力，聊； 吼，主应力( 主应力方向已知的平面应力状态，p a ) ； 毛，手2 主应变( 主应力方向已知的平面应变状态) ； e 弹性模量( 1 0 n m - 2 ) ： 白松比； d ( 2 r ) 圆柱轮直径( ，为圆柱轮半径，m ) ； j l 挠性体带厚度( m ) ； 6 挠性体带宽度( m ) ； p 挠性体带的密度( 1 【g m 3 ) ； 历挠性体带质量( k g1 ； 圆柱轮的转动角速度( r a d s ) ； 妒挠性体带的包角； e ，最拉力( 挠性体带两端拉力，n ) ； p 挠性体带作用在圆柱轮上的比压( p a ) ； ，挠性体带与圆柱轮的摩擦系数； 彦作用在带上的单位摩擦力( n ) ； 圆柱轮旋转时出现在挠性体带单位面积上的均布离心力( n ) ； e 作用在带上的摩擦力( 聊； f 作用在带上的离心力( n ) ； f p 作用在带上的正压力( n ) ； r 挠性体带的平均半径； t 时问( s ) ； q 时间t 内的传热量或热流量( 热传导) ( 聃) ； x 热传导率或热传导系数( 热传导) ； r 平面温度( 热传导) ( ) ； a 平面面积( 热传导) m 2 ) ； d 两平面之间的距离( 热传导) ( m ) ； 厅对流换热系数( 对流换热) ： z 固体表面的温度( 对流换热) ( ) ； 矗周围流体的温度( 对流换热) ( ) ； 口热流率( 辐射换热) ( j s ) ； 实际物体的辐射率，或称为黑度( 辐射换热) ； 武汉理工大学硕士学位论文 盯斩蒂芬一波尔兹曼常数，约为5 6 7 x1 0 8 w m 2 k 4 ( 辐射换热) ； 丘辐射面l 的面积( 辐射换热) ( m 2 ) ； 互：由辐射面1 到辐射面2 的形状系数( 辐射换热) ； 正辐射面1 的绝对温度( 辐射换热) ( k ) ； 辐射面2 的绝对温度( 辐射换热) ( k ) ； y i 奎续介质的体积( m 3 ) ； r i 奎续介质的表面积( m 2 ) ； q 单位体积的热生成率； 吼热流矢量的分量； c 比热( j k g k ) ： 九材料在指定空间方向上的热传导率张量分量； 北) 已知温度函数； 瓦已知温度( ) ； 丁 ，f ) 韫度函数，其值可能随空间位置和时间的不同而变化； g “，f ) 热流密度函数； z ，流体介质的温度( ) i 口换热系数( w m ) ； 描述温度在单元内变化的插值函数向量； r 依赖于时间的单元节点温度向量； 单元体积( m 3 ) ： q 节点热流向量； c 热容矩阵； k 热传导矩阵； r t 时刻的节点温度矢量热容矩阵； 互一。f 一血时刻的节点温度矢量； 时间步长( s ) ； ，增量a t 内温度的平均值( ) ； r 锚链拉力所传递得转矩时间步长( s ) ： 仉材料屈服极限( m p a ) ； 开安全系数； l 盯l 材料许用应力( m p a ) ； t 沉头螺钉拧紧力矩( n m ) ； c 沉头螺钉预紧力( n ) ； l 螺钉长度( m ) ； 沉头螺钉在预紧力作用下的变形量( m ) ； l 韫度t 时物质长度( m ) ： 武汉理工大学硕士学位论文 l 。温度t = o 时物质长度( m ) ； 口物质升高一度时膨胀的长度( ) ； “一一摩擦系数： p o ) 摩擦表面上的比压( n 2 ) ； v ( o 列动带的相对移动速度( m s ) ； r 热流分配系数； k 镯i 动带的热传导系数( w m l 【) ； 七摩擦片的熟传导系数( w i i l l ) ； 句每风风速( n l s ) ： ，一兽风运动粘度( m 2 s ) ； 只每风普朗特常数； 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：l 丑良 日期塑曼：匹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：直l 导燧名：上垄生日期趔 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章引言 “十五”期间，我国造船业迅猛发展，产量连创历史新高，年均增长速度 接近3 0 ，世界第三造船大国的地位进一步巩固。 在国际国内船舶市场火爆、我国造船规模快速扩大的拉动下，我国船舶配 套业进入一个新的上升期。骨干配套企业出现了新一轮技术引进和技术合作热 潮，订单饱满、产量递增、生产规模扩大、经营状况好转；众多行业外企业纷 纷进入船舶配套领域，或投资建厂专门制造船用设备，或引进国外专利技术， 制造专利产品，为远洋船配套，如表i l 所示“；欧洲及日韩船用设备企业看好中 国造船市场，以独资建厂或合资合作等方式大举进入我国船舶配套产品制造领 域；一些优势配套企业加大研发投入，更新制造加工设备，产品档次提升、科 技含量增加，一批大型关键船舶配套设备研制取得重大突破，自主创新能力明 显加强；在地方政府支持下，由两大造船集团、地方造船配套企业、外国船舶 配套企业投资的船舶配套生产基地和工业园区在上海、大连、青岛、舟山、南 通、重庆、武汉等地接连开工建设。 表i - 12 0 0 1 年- 2 0 0 5 年中国船舶配套设备制造业情况 “十五”期间，我国船舶配套业和配套市场从产业组织结构、投资结构、 生产规模、科技水平、产品结构和质量等许多方面都发生了深刻变化，在技术 创新和制度创新方面也取得了一定迸步，这预示着船舶配套业正在进入新的发 展时期。然而，由于配套业的发展远远赶不上造船业的快速增长，不仅配套业 滞后于造船业的状况未得到根本改变，还加重了这一状况。进口船用设备的国 内市场占有率不断扩大，国产设备的平均装船率不升反降，主要船用设备及关 武汉理工大学硕士学位论文 键部件受国外设备厂商特别是竞争对手的制约越来越大。我国在船舶配套业上 的弱势日益突出，不仅使造船企业采购成本居高不下，经济效益难有改善，更 为严重的是，对造船业可持续发展构成威胁，成为我国建设造船强国的一大障 碍。 “十一五”是我国造船业向第一造船大国目标迈进并实现由大到强发展的 关键时期，但船舶配套设备发展的滞后，将严重制约我国船舶工业的健康发展。 若不尽快提升配套能力和水平，不仅会严重削弱造船业的国际竞争力，还会对 船舶工业的产业安全构成威胁。 锚机作为船舶配套机械的重要组成部分，随着船舶吨位的增加，这些设备 也朝大型化方向发展，承受的载荷也越来越大。由于目前使用的设计方法速度 慢、效率低、不能对锚机的性能进行全面的分析和计算，为了在制造成本、周 期和市场快速响应等方面满足市场需求，提高产品的竞争力，需要对锚机关键 零部件进行系统分析。 对于作为保障锚机乃至船舶安全运行的关键部件之一的带式制动器而言， 随着载荷的增大，要求其具有大而稳定的制动力，较低的磨损率，特别是制动 摩擦系数必须在任何条件下保持稳定；而摩擦表面接触温度及温度梯度集中反 映了载荷、速度、摩擦系数、材料的热物理特性及耐久性、摩擦部件的设计尺 寸和工作环境等因素的影响嘲因此，有必要深入了解带式制动器制动摩擦副的 温度场、应力场分布状况及特点，完善其设计方法。所以，利用有限元方法来 研究带式制动器不仅具有理论意义，而且具有巨大的实用价值。 1 2 本文研究对象 本文以某超级油轮的锚机带式制动器为研究对象，其结构如图1 - 1 所示。锚 机用带式制动器结构主要由制动带( 制动上带、制动下带) 、拉杆、摩擦片( 上 带摩擦片、下带摩擦片) 、沉头螺钉、连接销轴组成。其中制动上带与上带摩 擦片( 制动下带与下带摩擦片) 通过沉头螺钉连接在一起；制动上带与制动下 带通过连接销轴连接在一起。 锚机用带式制动器，采用上、下两条内敷摩擦材料的制动带，包挠在锚链 轮的外圆表面，制动带的一端用销轴固定在船舶甲板上，另一端与液压油缸的 拉杆相连，如图1 1 所示。当液压油缸无油压时，制动带与锚链轮之间存在一定 2 武汉理工大学硕士学位论文 的间隙，锚链轮可随与它过盈配合的锚链主轴一同转动。当液压缸通油压时， 作用在活塞上的油压力推动活塞，使之克服回位弹簧的弹力而移动，与活塞相 连的拉杆随之收回，进而使制动带的活动端移动，将制动带箍紧在锚链轮上， 此时，制动器处于制动状态。制动油压力解除后，复位弹簧使活塞在制动油缸 中复位，并推动制动带活动端，从而松开锚链轮，解除制动， 8 l 制动上带2 - 一串4 动上带摩擦片3 制动下带 4 制动下带摩擦片5 、眦接销轴7 拉杆 8 沉头螺钉9 锚链主轴l o 锚链轮 图卜1 锚机部分关键部件 由上述带式制动器工作原理可以看出，锚链轮的制动主要依靠摩擦片与锚 链轮间的摩擦来作为制动力，使锚链轮达到减速、停止的目的，即“摩擦制动。 由于锚机制动过程中涉及到摩擦片与锚链轮之间的摩擦接触、摩擦片与制 动带之间的摩擦接触，且考虑到目前的计算资源，故本文仅考虑摩擦片与制动 带之间的摩擦接触，而将锚链轮与摩擦片间所产生的摩擦热作为边界条件施加 到摩擦片上来模拟。摩擦制动”。 1 3 国内外研究现状分析 为了适应机械产品可靠性不断提高的要求，很多学者对“摩擦制动”开展 3 武汉理工大学硕士学位论文 了一系列的研究，其中包括：对制动装置材料的研究、对制动装置性能的试验 研究，还有对制动过程的数值仿真，制动摩擦表面温度场的研究等，这些研究 对改善及优化制动器起到了积极的作用。 vnp i l i p c h u k 。1 等人介绍了盘式制动系统的分析模型，并对制动盘两侧由 于受到相同大小的接触压力所表现出的动力特性进行了分析。分析模型中所涉 及到的非线性分析主要来源于片与盘之间的接触。并提出由于制动盘两侧接触 压力相等，故其不会发生轴向运动，而只会发生切向和径向振动。o s c a r a l t u z a r r a 等人针对高速行驶中的汽车，分析了盘式制动器的低频振动。研究 表明振动频率范围为l o 3 0 0 h z ，并且经常伴随有嗡嗡的噪声；同时指出摩擦系 数的变化以及制动盘热弹性不稳定是振动产生的原因，最后利用有限元方法解 决了热弹性问题。r _ i o l i n s k i 嗍研究了干摩擦的基本原理。并对添加固体润滑剂 后的轴承、制动器衬片等的摩擦特性进行了论述研究表明两个固体之间的干 摩擦导致了接触界面的改变，并指出向其中添加固体润滑剂对降低磨损起到了 至关重要的作用c h u n gk y u nk i m 嗍等在研究高速列车盘式制动器时，利用 h s c i a a r c 非线性有限元分析程序来计算制动盘和片的温度分布，热变形和接触 应力但是，该文献仅考虑初始应力场对温度场的影响，而并没有进一步考虑 因温度场分布的不均匀而导致接触应力场发生的变化，对盘片之间的热流分配 也还是采用理论分析来确定。p z a f u o d z k i “1 利用有限差分法计算了多片制动器 ( 和离合器) 的瞬态温度场及准稳态下的热应力分布情况。 高诚辉、林谢昭”建立了盘式制动器的三维模型，考虑了移动热源的影响， 模拟求解了盘式制动器非轴对称瞬态温度场。袁伟在对目前常用的鼓式制动 器结构和工作原理进行分析的基础上，结合传热学的理论知识，详细研究了鼓 式制动器的摩擦生热过程、辐射换热过程和对流换热过程，建立了其温升计算 的数学模型。并在相似理论和量纲分析理论的指导下，进行鼓式制动器对流换 热实验，得出鼓式制动器对流换热系数的求解公式。毛智东、王学林“”等通过 建立鼓式制动器的理论模型，并运用工程分析软件a n s y s 对摩擦衬片和制动鼓之 间的摩擦接触进行分析，得出接触压力的分布特性及制动器的应力分布场，强 化了理论设计。王良模、彭育辉、曾小平“”通过对浮钳盘式制动器的受力分析， 建立了其关键部件钳体和支架的力学模型。应用大型机械c a d c a e c a l i 软件 i d e a s 对某一国产的浮钳盘式制动器进行了有限元建模和分析。求解它们在工 作状态下的应力情况。杨耀峰、吴春英“o 在对挠性体摩擦的基本理论及其公式 4 武汉理工大学硕士学位论文 进行详尽分析和推导的基础上，总结出带式制动器的设计要点，推导出其机械 效益计算公式及设计曲线图。朱从鉴“”研究带传动和带式制动器中的弹性滑动 问题，指出了弹性滑动的起始位置和弹性滑动方向的确定方法，推出了弹性滑 动的大小、弹性滑动的平均速度、最大弹性滑动速度等公式，分析了弹性滑动 对传动比和传动效率的影响。 尽管很多学者对摩擦制动器开展了一系列的研究n 8 喇，但尚无对带式制动 器的有限元分析，本课题主要开展应用有限元方法对带式制动器进行摩擦接触 的数值仿真，并对其进行动态应变测试，为带式制动器的设计及优化提供参考。 由于带式制动器是由制动带和摩擦片组成的，带、片之间接触面的模拟计 算是一很重要的方面。由于相互接触的两种材料的性质差异较大，再加上存在 着较大的温度梯度，使得在接触面上变形不一致。因此，要正确模拟制动器温 度场就必须考虑制动器摩擦副之间的接触问题，特别是接触界面的压力分布及 接触界面间的热传导。简单的弹性接触问题自上世纪末就由赫茨( h e r t z ) 研究 过，并提出了经典的h e r t z 接触理论。随着数值解法的兴起和发展，出现了许多 求解接触问题的非经典方法，有限单元法作为解决复杂工程问题的有效数值方 法，也成为求解接触问题的一种主要方法。接触问题是一类应力集中的非线性 问题，同时也是边界条件非线性闯题，有时还伴随有几何非线性、材料非线性 等问题。在接触问题中边界条件不是在计算开始前就可给出的，它们是计算的 结果，两接触体间接触面的面积与压力分布随着外载变化而变化并与接触体的 刚性有关，这是接触问题的特点，也是难点。 带式制动器摩擦表面温度场的研究不仅仅包含了一般滑动副表面温度瞬态 分布的固体热传导研究、接触表面模型的研究及制动带与外界的热对流研究， 还牵涉到摩擦接触界面传热规律的研究。因此，全面地研究制动摩擦副表面温 度瞬态分布是一项庞大而复杂的工作。虽然各国研究人员在计算方法方面进行 了大量的工作，但数值模拟结果与实际情况仍有较大出入。 关于数值模拟制动器温度场的研究方面存在的不足，概括起来有如下几点； ( 1 ) 随着船舶承受的载荷不断地增大，所产生的制动摩擦熟也越来越大，锚 链轮的对流换热与热辐射的影响也越来越不容忽视。特别是对流换热边界条件， 由于其变化规律非常复杂，对其量化研究还有很大的困难，因而被大多数的研 究者所忽略，这一点应该引起足够的重视。 ( 2 ) 现有的研究大都没有考虑材料的热物理特性随温度的变化对摩擦表面 5 武汉理工大学硕士学位论文 温度场的影响。 ( 3 ) 对于接触表面有摩擦热输入的情况，摩擦热的数值是由两接触表面之间 的接触压力所决定的，所以相互接触物体的温度场的数值解直接取决于接触状 态。为了求出既满足弹性接触条件又满足接触表面摩擦热生成条件的收敛解， 需要进行反复迭代以调整接触状态。 ( 4 ) 摩擦接触实际为两个粗糙表面的相互接触，真实接触面积远小于名义接 触面积，摩擦中的热和力的作用都发生在真实接触区域上。而大多数的研究没 有考虑物体实际表面形貌对温度场的影响。 ( 5 ) 由于实际工程表面总存在着各种吸附膜、氧化膜等。制动摩擦副表面的 摩擦学研究表明：摩擦制动过程中，复合摩擦衬片表面存在着金属化的现象， 而金属偶件的摩擦表面也有转移膜的形成。这些表面层的存在，有可能影响接 触表面的温度分布。据文献1 对单个球形微凸体与光滑平面接触时的温度场的 研究表明：对于稳态情况，金属表面是否存在吸附层对金属体内或表面上的温 升将毫无影响。不过它将影响吸附层内自身的温升。并且有吸附层存在时，表 面上膜的最高温度将大大高于金属表面的最高温度。在非稳态情况下，有吸附 层时求解金属表面接触层温度场的边界条件与无吸附层时的边界条件不同，因 此吸附层对表面接触温度场有影响至于影响程度如何，由于求解耦合热传导 方程组非常复杂而无法得知。对涂覆有表面层材料的半无限体接触温度场研究 已有报道m 。 ( 6 ) 对带一轮摩擦界面间的热传递规律尚缺乏足够的研究，这不仅包括上述 吸附层对接触温度场的影响，还包括对摩擦生热机理的定性及定量研究。实际 上对于摩擦接触这样的不稳定温度场，摩擦副间的热流分配系数是不断变化的， 热流分配系数不仅与材料的热物理特性、物体的尺寸大小有关，而且随材料的 导热性与接触表面处的温度梯度之比值而变化嘲。 ( 7 ) 对制动过程中各个参数的变化对温度场的影响缺乏足够研究。实际锚链 轮的制动过程是一个与锚绞机参数和海况以及制动系统管路压力有关的系统的 动态过程。制动摩擦系数在制动过程中也是随温度变化的( 基本上随温度升高而 下降) ，但由于其受到多个因素的影响，难以量化处理。因此，大多数的研究都 把它当作常数处理。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文工作 1 4 1 本文研究内容 深入了解带式制动器制动摩擦副的温度场、应力场分布状况及特点，对于 研究其新的设计方法具有非常重要的意义，同时有利于新产品的升级及原有产 品的优化。本文主要应用有限元理论，以锚机用带式制动器为研究对象，利用 m s c p a t r a n 、k s c n a s t r a n 及m s c m a r c 软件进行系统的研究，内容涉及理论模拟 计算与有限元分析、应变电测试验、分析与试验对比等，详细内容如下： 1 、带式制动器受力分析及热载荷的理论计算 从挠性体摩擦及传热问题的基本理论出发，进行带式制动器在额定工况下 及制动工况下的受力分析及热载荷的理论计算，为有限元分析模型边界条件的 确定提供依据。 2 、s o l i d w o r k s 实体建模 应用建模软件s o l i d w o r k s 依据二维图纸建立带式制动器的三维实体模型。 3 、制动带机械应力分析与试验研究 应用m s c p a t r a n m s c n a s t r a n 软件对带式制动器进行额定工况下的机械应 力分析，并对该工况下的带式制动器表面进行了动态应变电测试验。通过有限 元分析结果与对应测点应力值对比，验证了有限元分析模型的正确性，为对带 式制动器进行摩擦接触的数值仿真提供理论支持。 4 、带式制动器制动过程接触分析 为了研究带式制动器制动工况下的应力分布、制动带与摩擦片连接沉头螺 钉的受力情况，考虑到摩擦片与制动带之间的接触，应用m s c p a t r a n m s c m a r c 软件对带式制动器进行制动工况下的接触分析，以此较真实地模拟沉头螺钉的 受力情况。 5 、带式制动器制动过程瞬态温度场分析 应用m s c p a t r a n 惦c m a r c 软件对带式制动器进行制动过程瞬态温度场分 析，得出摩擦片、制动带的温度分布及变化情况。 1 4 2 论文结构框架 本文按三个部分来展开论述：挠性体摩擦及传热问题的基本理论；制动 7 武汉理工大学硕士学位论文 带机械应力分析与试验研究；带式制动器制动过程摩擦接触的数值仿真。全 文共分七章，论文结构框架如图卜2 所示。 1 5 本章小结 图1 2 论文结构框架 本章首先论述了本文研究得以进行的课题背景；接着对本文研究对象的工 作原理进行了阐述，并提出本文模型简化处理的方式；而后分析了国内外摩擦 制动器的研究现状，并据此指出了研究学者在数值模拟摩擦制动温度场中的不 足；最后阐述了本文研究内容及论文结构框架。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有限元法与测试技术 本章主要介绍有限元法、大型c a e 分析前后处理器m s c p a t r a n 、求解器 m s c n a s t r a n 、m s c m a r c 及测试技术的相关知识。 2 1 有限元法 有限元法“一是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值方法。自2 0 世 纪5 0 年代提出该方法以来，随着矩阵理论、数值分析方法、特别是计算机科学 与技术的发展，有限元法无论在理论研究还是在应用上都取得了巨大进步。它 从最初的固体力学领域拓展到了电磁学，流体力学、传热学以及声学问题的计 算，有限元法已成为目前最为有效、应用最广的一种数值方法之一，成为计算 机数值模拟中的一种主要手段。 2 1 1 有限元求解的基本步骤 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的 问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连 子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个 域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解， 丽是近似解，因为实际问题被较简单的闯题所代替。由于大多数实际问题难以 得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为 行之有效的工程分析手段。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：闯题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和 几何区域。 第二步；求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此 相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小 ( 网络越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差 9 武汉理工大学硕士学位论文 都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组 包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微 分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列 式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元 各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重 要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好， 畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解。将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ， 反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条 件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立 在结点处 第六步：联立方程组求解和结果解释。有限元法最终导致联立方程组。联 立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变 量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评 价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析的基本步骤可分成三个阶段：前处理、处理和后处理。 前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果， 使用户能简便提取信息，了解计算结果。 2 1 2 有限元分析软件平台 本文应用m s c n a s t r a n 计算带式制动器的机械应力，且应用m s c m a r c 进行 带式制动器瞬态温度场分析，处理器均采用m s c p a t r a n 。 2 1 2 1 前后置处理软件( m s c p a t r o n ) 淞c s o f t w a r e ( m a c n e a l s c h w e n d l e rc o r p o r a t i o n ) 公司创建于1 9 6 3 年，总 部设在美国洛杉矶，是享誉全球的最大的工程效验、有限元分析和计算数值模 拟应用软件( c a e ，c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 供应商之一，也是大型通用 武汉理工大学硕士学位论文 结构有限元分析前后置处理软件m s c p a t r a n 、求解器m s c n a s t r a n 和m s c m a r c 的 开发者 m s c p a t r a n 是一种并行框架式的有限元前后处理及分析系统，具有开放 式、多功能的体系结构，采用交互图形界面，可实现工程设计、工程分析、结 果评估，是一个完整c a e 集成环境。前处理通过采用直接几何访问技术( d i r e c t g e o m e t r ya c c e s s ) 可直接从c a d c a m 系统中获取几何模型，甚至参数和特征；还 提供了完善的独立几何建模和编辑工具，使用户更灵活的完成模型准备。运用 多种网格处理器实现分析结构有限元网格的快速生成。其分析模型定义功能可 将各种分析信息( 单元、材料、载荷、边界条件等) 直接加到有限元网格或任何 c a d 几何模型上。后处理提供了等值图、彩色云图等多种计算分析结果可视化工 具，帮助用户灵活、快速地理解结构在载荷作用下复杂的行为，如结构受力、 交形、温度场、疲劳寿命、流体流动等。分析的结果同时可与其他有限元程序 联合使用。使用黼c p a t r a n 进行工程分析的前后处理，一般流程如图2 - 1 所示 匡婴耍巫亟野吨噩砸煎廿川亘盈亟蛩川豳圃巫圜 图2 1m s c p a t r a n 进行前后处理的一般流程 作为优秀的前后处理器，m s c p a t r a n 提供了按“事件分类”的分析解算器 选择功能，使m s c p a t r a n 的分析集成系统达到一个崭新的水平。分析选择可以 根据不同分析软件设置不同的工作环境，可以满足用户对使用效益和集成的要 求，而无需再像以前那样当一个模型要进行不同的分析时必须针对不同的分析 软件的特点重复建模。蟠c p a t r a n 界面内可以直接选择的求解器如表2 - 1 所示 表2 - 1m s c p a 垃a n 可以直接选择的求解器 m s c n a s t i - a l l m s c f u p e r f o r g em s c f a t i g u e m s c d y t r a n m s c f v i s i o ns t a r - c d m s c d r o p t e s t c f xf l u c n t m s c m a ca b a q u sa n s y s m s c f i l g h d o a d sa n dd y n a m i c s l s d y n a 3 dp 姗c r a s h s a m c e fs 酣d a 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 2 有限元分析软件平台( m s c n a s t r a n ) n a s t r a n 有限元分析系统是由美国国家宇航局( n a s a ) 在2 0 世纪6 0 年代中期 委托m s c 公司和贝尔航空系统公司开发，发展至今已有多个版本，其系统规模大、 功能强。在7 0 年代初期，m s c 公司对原始的n a s t r a n 进行改进和完善后推出了 m s c n a s t r a ne ”j 。m s c n a s t r a n 的整个研制及测试过程是在m s c 公司的q a 部门、美 国国防部、国家宇航局、联邦航空管理委员会( f 从) 及核能委员会等有关机构的 严格控制下完成的，每一版的发行都要经过4 个级别、5 0 0 0 个以上测试题目的检 验。 作为世界最流行的大型通用结构有限元分析软件之一，m s c n a s t r a n 的分析 功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项。 主要分析功能模块有：基本分析模块( 含静力、模态、届曲、热应力、流固耦合 及数据库管理等) 、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏 度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、b m a p 用户开发工具 模块及高级对称分析模块。 m s c n a s t r a n 具有广泛的平台适用性，可在不同档次的5 0 多种通用和专用计 算机上、不同的操作系统下运行，主要机种如：p c 机、s u n 、d e c 、h p 、i b m 、s g i 、 n e c 、h i t a c h i 、s i e 姬n s 、c r a y 、c o n v e x 等。淞c 公司开发的并行处理技术保证 使m s c n a s t r a n 及相应产品在诸如c r a y 、c o n v e x 、i b m 、s u n 、d e c 、s g i 等具有多 处理器的大中型计算机上能高效运行。此外，m s c 的产品还允许在计算机网络上 以限定使用权方式被任何机器激活有效地通过网络进行各种计算。 2 1 2 3 非线性有限元分析软件平台( m s c m a r c ) m s c m a r c 伽1 是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，体现了3 0 年来 有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力， 可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性非线性静力分析、模态分析、 简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静动力接触、 屈曲失稳、失效和破坏分析等。它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单 元的单元库，几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性，材料非线性和包括接 触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力。m s c m a r c 的结构 分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性和 武汉理工大学硕士学位论文 非线复杂材料行为的材料模型。分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速收 敛的高度非线性问题求解技术。为了进一步提高计算精度和分析效率，m a r c 软 件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，自动确定分析曲屈、蠕变、 热弹塑性和动力响应的加载步长。m s c m a r c 卓越的网格自适应技术，以多种误 差准则自动调节网格疏密，不仅可提高大型线性结构分析精度，而且能对局部 非线性应变集中、移动边界或接触分析提供优化的网格密度，既保证计算精度， 同时也使非线性分析的计算效率大大提高。此外，峪c m a r c 支持全自动二维网 格和三维网格重划，用以纠正过渡变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的 继续进行。 对非结构的场问题如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性 传热问题的温度场，以及流场、电场、磁场，也提供了相应的分析求解能力； 并具有