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黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 目 录 制动器的有限元模型 命令流 . 1 动鼓有限元模型 命名流 . 1 动蹄 板 有限元模型 命令流 . 3 擦衬片有限元模型 命令流 . 9 制动器的静力分析 命令流 . 11 2 . 1 制动鼓静力分析 命令流 . 11 2 . 2 制动蹄静力分析 命令流 . 13 制动器的模态 分析命令流 . 25 3 动鼓的模态分析 命名流 . 25 3 动蹄 板 的模态分析 命令流 . 28 3 擦衬片 的模态分析 命令流 . 30 4 制动鼓的热 析命令流 . 32 4 动鼓的热稳态分析 命名流 . 32 4 动鼓 的 结构 分析 命令流 . 35 4 动鼓的热 令流 . 37 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 1 制动器的有限元模型 命令流 1 . 1 制动鼓有限元模型 命名流 / K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, ,029, K, ,029,116, K, ,116, K, , K, , K, , K, , K, , 1, 2 2, 3 3, 4 4, 5 5, 6 6, 7 7, 8 8, 9 9, 10 10, 11 11, 12 12, 15 15, 13 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 2 13, 14 14, 1 2,13, ,14,4 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,11 ,10 ,16 ,14 ,15 51X K, ,0,0, K, ,0, ,1,5, ,1 ,2,3 ,15 ,16 51X, , , , , ,360, , , , , , , , , , , ,1,6, ,5 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 3 , , ,0,0 ,1,6, ,7 , , ,0,0 ,4,6, ,1 , ,5,6, ,5 , 51X, ! / ! ! / . 2 制动 蹄板 有限元模型命名流 / K, ,K, , K, , K, , K, , K, ,K, ,K, , K, ,0,0,0, K, ,0,0, ,8,3 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 A, 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 4 ,1,5, ,1 ,2,3 ,9 ,10 51X, , , , , ,180, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, ,0, K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , 27, 28 28, 29 29, 30 30, 31 31, 32 32, 33 33, 34 34, 35 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 5 35, 36 36, 37 52, 53 54, 53 54, 55 55, 56 ,8,3 ,37 ,38 ,39 ,40 ,41 ,43 ,44 ,45 , ,6,3 ,47 ,48 ,49 ,50 ,51 ,52 , 45, 47, 11 ! K, , ! 45, 47, 57 ! 54, , ,1 27, 28 K, , K, , 27, 58 55, 56 K, , K, , 58, 60 60, 59 59, 56 ! ,21,4 ,59 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 6 ,54 ,41 ,42 ,43 ,44 ,45 ,46 ,47 ,48 ,49 ,50 ,55 ,57 ,56 ,51 ,52 ,53 ,58 ,61 ,60 51X ,2,6, ,1 , 51X, 20 ,1,5, ,20 ,2,3 ,10 ,9 51X, , , , , ,360, , ,2,4, ,53 ,58 51X, , ,1 20 ,2,4, ,53 ,58 51X, , ,1 54, 56 ,2,4, ,43 ,黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 7 51X, , ,1 K, , 29, 30 30, 31 ,20,4 ,59 ,54 ,41 ,42 ,43 ,44 ,45 ,46 ,47 ,48 ,49 ,50 ,55 ,57 ,56 ,51 ,52 ,53 ,61 ,60 51X 2, 20 ,3,4, ,41 ,51X, , ,1 20 ,3,4, ,41 ,51X, , ,1 30, 27 ,2,4, ,51 ,51X, , ,1 52, 54 ,16,4 ,55 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 8 ,57 ,56 ,42 ,53 ,61 ,60 ,59 ,54 ,41 ,44 ,45 ,46 ,47 ,48 ,49 51X ! ,17,4 ,59 ,54 ,41 ,44 ,45 ,46 ,47 ,48 ,49 ,50 ,55 ,57 ,56 ,42 ,61 ,53 ,60 51X K, , K, , 28, 9 9, 29 20, , , , , , 43 20, , , , , , 51 ,2,6, ,3 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 9 , 51X ,2,6, ,1 , 51X, 5 ,360, 1, , ,1 , , , , ,2,6, ,1 , , , ,0,0 ,2,6, ,3 , ,4,6, ,1 , ,5 , 51X, ,2,6, ,7 , 51X 1 . 3 摩擦衬片 有限元模型命名流 / , ,0 ,2100 , ,0 X,1,3E+009 ,Y, , , , 1 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 10 ,_Y Y 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 11 2 制动器的静力分析命令流 动鼓 的静力分析 命名流 ,4,6, ,10 ,51X , ,0 ,7250 , ,0 X,1, ,3D Y, , , , 1 ,_Y Y , , , ,0,0 /,12,5,0 ,83 ,90 ,93 ,97 ,99 ,龙江工程学院 本科生 毕业设计 12 ,104 ,A,4,5, ,12 ,27 ,42 ,57 51X,1,390000 ,0 / / ,0 / ,1 ,0, ,1,2,1 ,0 / ,1 ,0, ,1 ,0, ,1,2,1 / ,0, ,1 / ,0, ,X,2,1 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 13 动 蹄的静力分析 命名流 / K, ,K, , K, , K, , K, , K, ,K, ,K, , K, ,0,0,0, K, ,0,0, ,8,3 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 A, ,1,5, ,1 ,2,3 ,9 ,10 51X, , , , , ,180, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 14 K, , K, , K, , K, , K, , K, ,0, K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , K, , 27, 28 28, 29 29, 30 30, 31 31, 32 32, 33 33, 34 34, 35 35, 36 36, 37 52, 53 54, 53 54, 55 55, 56 ,8,3 ,37 ,38 ,39 ,40 ,41 ,43 ,44 ,45 , ,6,3 ,47 ,48 ,49 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 15 ,50 ,51 ,52 , 45, 47, 11 K, , 45, 47, 57 54, , ,1 27, 28 K, , K, , 27, 58 55, 56 K, , K, , 58, 60 60, 59 59, 56 ,21,4 ,59 ,54 ,41 ,42 ,43 ,44 ,45 ,46 ,47 ,48 ,49 ,50 ,55 ,57 ,56 ,51 ,52 ,53 ,58 ,61 ,60 51X ,2,6, ,1 , 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 16 51X, 20 ,1,5, ,20 ,2,3 ,10 ,9 51X, , , , , ,360, , ,2,4, ,53 ,58 51X, , ,1 20 ,2,4, ,53 ,58 51X, , ,1 54, 56 ,2,4, ,43 ,51X, , ,1 K, , 29, 30 30, 31 ,20,4 ,59 ,54 ,41 ,42 ,43 ,44 ,45 ,46 ,47 ,48 ,49 ,50 ,55 ,57 ,56 ,51 ,52 ,53 ,61 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 17 ,60 51X 2, 20 ,3,4, ,41 ,51X, , ,1 20 ,3,4, ,41 ,51X, , ,1 30, 27 ,2,4, ,51 ,51X, , ,1 52, 54 42 46 ,16,4 ,55 ,57 ,56 ,42 ,53 ,61 ,60 ,59 ,54 ,41 ,44 ,45 ,46 ,47 ,48 ,49 51X ,17,4 ,59 ,54 ,41 ,44 ,45 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 18 ,46 ,47 ,48 ,49 ,50 ,55 ,57 ,56 ,42 ,61 ,53 ,60 51X K, , K, , 28, 9 9, 29 20, , , , , , 43 ,1 20, , , , , , 51 ,2,6, ,3 , 51X ,2,6, ,1 , 51X, 5 ,360, 1, , ,1 , , , , ,2,6, ,1 , , , ,0,0 ,2,6, ,3 , ,4,6, ,1 , ,5 , 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 19 51X, ,2,6, ,7 , 51X ,2,6, ,1 , 51X , ,0 ,2100 , ,0 X,1,3, ,0 ,7800 , ,0 X,2,2 , 1 1 0 Y, , , , 3 ,_Y Y 1 2 0 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 20 Y, , , , 4 ,_Y Y ,3D 1 2 0 Y, , , , 4 ,_Y Y / /,2,5, ,21 , ,2,5, ,21 , /51X, ,2,5, ,21 ,Y, ,2,5, ,21 , /51X, , ,18,1,0 ,3448 , ,5190 , ,5206 ,5208 , ,6999 ,7031 ,11883 /51X,66561300 ,14,1, ,3448 , ,5190 , ,5208 , 51X,21,1, ,3447 , ,5189 , ,5205 , / 51X,66561300 1,0,0,0,0, , , ,1,1, / 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 22 ,2639,1,95 51X / ,352,1, ,85 ,459 ,Y,2390000 / ,96,1, ,86 ,106 ,669 ,774 ,Y, ,80,1, ,91 ,599 ,744 ,Y, ,176,1, ,85 ,96 ,459 ,749 ,F,Y, 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 23 / ,2,5, ,21 ,51X,15,1, ,3463 , ,3689 , ,3698 , ,8,5, ,1 , ,5 ,8 ,51X,8,5, ,1 , ,5 ,8 , /51X, ! / ,8,5, ,1 , ,5 ,8 ,51X, ,8,5, ,1 , ,5 ,8 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 24 , /51X, ,15,1, ,3463 , ,3689 , ,3698 , /D, , , , ,Z, , , , / , , 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 25 3 制动器的模态分析命令流 动鼓 的模态分析 命名流 / , ,0 ,2100 /,1,5, ,4 /51X, / / ,1 , , ,1 , , ,1 , , ,1 , , ,1 , , 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 26 ,1 , , ,1 , , ,1 , , ,1 , , , ,0 ,7800 , ,0 X,1,2 , ,3D Y, , , , 1 ,_Y Y 1 Y, , , , 1 ,_Y 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 27 Y / 0 0, , ,0 0,0,10000000, ,2,5, ,21 , /51X, ,2,5, ,21 ,Z, ,8,5, ,1 , ,5 ,8 , /51X, / / / , , ,1 / ,2,5, 黑龙江工程学院 本科生 毕业设计 28 ,55 , /51X, / / 动 蹄板 的模态分析 命名流 / /N / /N / / ,0 72, 73 ,2,5, ,55 , 141, / /N / 毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 系部 汽车工程系 专业、班级 指导教师姓名 职称 副教授 从事 专业 车辆工程、 交通工程 是否外聘 是 否 题目名称 汽车鼓式制动器有限元结构分析 一、 课题研究 现状 ,选题的 目的、 依据和意义 1、研究现状 随着中国经济的高速发展，汽车已经进入普通家庭，人们对汽车在安全性、舒适性方面的要求已迅速向国际水平靠拢。汽车的噪声问题，特别是制动器噪声问题，已日益引起广大消费者的广泛关注。在国外，汽车制动器的噪声问题已成为汽车工程技术中一项急需解决的问题 。因此，制动器噪声机理及降噪研究具有相当大的实用价值。 汽车制动器通常分为盘式制动器和鼓式制动器两种。鼓式制动器因其结构紧凑，性能可靠，制动功率大，成本低在卡车和大中型客车中广泛应用。尽管鼓式制动器技术成熟，使用方便，但由于环保要求的提高及汽车使用者对于乘用舒适性的要求，制动噪音问题仍然是一个迫切需要解决的问题。 汽车制动噪声的研究已在国内外学者中引起了极大的重视。早在 70 年代，美国学者就对汽车盘式制动器的尖叫声做了试验研究，至今仍是研究的课题之一。此后，日、法、德等国研究人员也对制动器的振动和噪声做了大量 的试验和研究。这些研究表明，制动尖叫噪声是一种最常见的摩擦形式，它发生在盘式制动器的振动中。而分析尖叫噪声的随机特性一直是许多研究者所追求的目标。 国内从 80 年代末开始进行鼓式制动器制动噪声的研究。主要研究单位有清华大学、长春汽车研究所、东风汽车公司等。主要开展的工作是探讨制动鼓的高频尖叫噪声产生的机理及影响因素，根据实验结果来描述制动噪声的特征，结合对衬片摩擦特性和机械特性的研究及制动器部件的运动分析，提出降低噪声的途径。 2、目的、 依据 和意义 汽车的设计过程比较复杂 ， 涉及到工程材料、生产工艺、结构力 学等众多学科。 汽车 制动器 是汽车制动系统的主要工作装置， 其强度、刚度及动态特性直接影响制动系统的工作特性及使用寿命，影响整车的安全性、舒适性、噪声、操纵稳定性等基本性能。 传统的设计方法周期长、成本高， 术的在 制动器 设计中的应用，可以大大 缩短制动器开发周期、降低开发费用，提高设计质量。 在 制动器 的结构分析中，有限元法 由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的优点而被广泛使用，各种汽车结构件都可以用有限元法进行静态分析、固有特性分析和动态分析。将分析结果返回到设计过程中，修改其中不合理的 参数，经过反复的优化， 使得产品在设计阶段就可保证满足使用要求从而缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，它是提高汽车设的可靠性、经济性、适用性的方法之一。因此， 为了保证其设计的精确性和缩短设计周期，基于有限元分析，研究它的静、动态力学特性，研究其振动噪声，是非常重要和必须的。 随着车辆噪声法规的不断严格化，各种解决车辆内、外噪声的措施日益受到汽车工业界的重视。车辆的内部噪声已经能够降到很低的程度，而车辆的外部噪声，尤以制动噪声和车轮与地面接触作用噪声为主，变得更为突出起来。另外，制动器结构中取代能排放 有害物质的石棉摩擦材料的金属摩擦材料的应用以及结构的轻量化，都会不同程度地改变制动器结构的动态稳定性，甚至致使制动器振动噪声问题恶化。制动器振动噪声问题得到了越来越多的关注，成为汽车行业迫切需要解决的问题之一。 二、设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 1、研究的 基本 内容 （ 1）研究汽车鼓式制动器的组成、结构与设计； （ 2）建立有限元计算模型； （ 3）研究汽车汽车鼓式制动器的载荷； （ 4）加载进行静态分析； （ 5）汽车鼓式制动器进行动态分析，重点分析噪声振动。 2、 拟解决的主要问题 （ 1）鼓式制动器主 要参数的测量； （ 2）研究鼓式制动器的受力分析； (3) 对鼓式制动器的关键零件进行单独建模： 运用 件 进行建模导入或者运用有限元分析软件 行直接建模 ； （ 4） 运用有限元分析软件 鼓式制动器的关键零件进行 有限元静态分析，重点进行强度分析； （ 5） 运用有限元分析软件 行动态分析，重点分析噪声振动。 （ 6）如有能力计划将鼓式制动器进行温度场分析、接触分析以及热 （ 7）难点在于理论知识的缺乏，毕业设计期间对振动理论等加强学习，期望 有所成效。 三、技术路线（研究方法） 四、进度安排 （ 1）调研、资料收集，完成开题报告 第 4 周（ 3 月 24 日 3 月 30 日） （ 2）研究汽车鼓式制动器的设计步骤与设计方法，分析汽车鼓式制动器受力情况 第 5 周（ 3月 31 日 4 月 6 日） （ 3）建立有限元模型 第 67 周（ 4 月 7 日 4 月 20 日） （ 4）施加载荷和边界条件，求解，进行静态分析 第 89 周（ 4 月 21 日 5 月 4 日 ） （ 5）运用有限元分析软件 行动态分析，重点分析噪声振动 第 1012 周（ 5 月 5日 5 月 25 日） （ 5）完成设计说明书的撰写 第 13、 14 周（ 5 月 26 日 6 月 8 日） （ 6）毕业设计（论文）审核、修改 第 15、 16 周（ 6 月 9 日 6 月 22 日） （ 7）毕业设计（论文）答辩准备及答辩 第 17 周（ 6 月 23 日 6 月 29 日） 相关资料搜集整理学习 研究汽车鼓式制动器的组成、结构与设计 鼓式制动器类型选择 鼓式制动器主要参数的测量 鼓式制动器的受力分析 建立有限元计算模型 对鼓式制动器的关键零件进行有限元静态分析 汽车鼓式制动器有限元结构分析 对鼓式制动器的关键零件进行有限元模态分析 对鼓式制动器的鼓和蹄进行有限元接触分析 五、 参考文献 01庞剑，何华等，汽车噪声与振动：理论与应用，北京：北京理工大学出版社， 02刘惟信，汽车制动系的结构分析与设计计算，北京：清华大学出版社， 03方泳龙，汽车制动理论与设计，北京：国防工业出版社， 04叶磊，史亚杰， 程分析软件应用实例，北京 :清华大学出版社， 2003 05 邵蕴秋 有限元分析实例导航 M国铁道出 版社 2004:106 白金泽 ,孙秦 ,郭英男 行复杂结构应力分析 J2003,22(3):44107 张亚欧 有限元分析实用教材 M华大学出版社 ,2004. 08 潭继锦 有限元法 M人民交通出版社， 2005： 2 09王望予，汽车设计，北京：机械工业出版社， 2000 10陈家瑞，汽车构造，北京 :人民交通出版社 ,1997 11蔡旭东，蒋伟康，鼓式制动器噪声机理及对策研究，汽车工程， 2002， 5： 391407 12马迅 ,秦剑，基于有限元法的制动鼓的耦合分析，机械设计与研究， 2005， 2： 6871 13刘立刚，王学林，鼓式制动器的有限元分析，专用汽车， 2003， 3： 2123 14蒋伟康，西择男，高田博，鼓式制动器振 动与啸叫的研究，机械强度， 1998， 2： 8186 15管迪华，宿新东，制动振动噪声研究的回顾、发展与评述，工程力学， 2004， 8： 150155 16陈兴旺 ， 鼓式制动器温度场的研究 ， 长安大学硕士学位论文 ， 17张静双 ， 基于知识的汽车制动器设计专家系统的研究与开发 ， 重庆大学硕士学位论文 ,18 鼓育辉 , 汽车制动系统关键零部件的强度分析 , 南京理工大学硕士学位论文 ,19 王良模等 . 双向自增力鼓式制动器效能因数的计算研究 年会论文 . 南京 : 1997 20 毛智东等， 鼓式制动器接触分析， 华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版 )，7173 21 J , A , G. of 2002 , 45 : 193 199 22 , , , et 1999 , 72 : 185 198 指导教师意见： 签字： 年 月 日 黑龙江工程学院本科生毕业论文 I 摘 要 随着中国经济的高速发展，汽车已经进入普通家庭，人们对汽车在安全性、舒适性方面的要求已迅速向国际水平靠拢。汽车的噪声问题，特别是制动器噪声问题，不但影响驾驶的舒适性，损害汽车零部件，甚至导致灾难。而且严重影响人们的生活环境。可见，寻找制动噪音的根源，设计一种制动噪音低的鼓式制动器，无论是从降低噪音污染、满足顾客要求、提高鼓式制动器的产品开发进度还是提高汽车整车的销售水平来说都是非常有意义的。 本文通过对国内外制动器噪声研究现状的综述，了解了制动器噪声研究的方法、主要成果及存在问题。为了进一步了解鼓式 制动器噪声发生的机理，利用 件分别建立了制动蹄、制动鼓和摩擦衬片的三维有限元模型，并且对有限元模型进行模态分析，通过分析结果，确认重点研究的范围。在模态分析和模态振型的基础上提出了修改制动蹄和制动鼓的结构参数、材料参数以及在模型上添加质量块或加强筋的方法以错开各零部件的固有频率范围降低振动噪声。 在制动期间产生的热量约有 95%为制动鼓吸收，使制动鼓温度升高。而制动鼓温度过高，将引起热应力增加，同时会使制动力矩减小，使制动效能迅速下降，甚至使制动鼓产生热变形，这将直接影响制动器的性能和寿命。因此本文 对制动鼓分别进行了热分析、结构分析和热 通过分析结果 的比较，说明温度载荷对制动鼓的强度和刚度均有很大影响；同时，在机械载荷和热载荷共同作用下，两种模型的最大应力均未超过材料的许用值，满足制动鼓的强度要求。 关键词 ： 鼓式制动器；噪声振动；有限元；静力分析；模态分析；耦合分析 黑龙江工程学院本科生毕业论文 s on s of a of of or of A of on is to on To of D of of By of of in in of s s as as or s on to of is 5%, to to to to of on to of to of At in of of of 黑龙江工程学院本科生毕业论文 ey 龙江工程学院本科生毕业论文 录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 1 题研究的目的和意义 1 限元分析方法的发展与研究状况 2 限元 法概述 2 限单元法在机械与汽车结构分析中的应用 3 限元法的优点 3 车制动噪声 的 研究现状和发展趋势 4 题研究的主要内容及技术路线 5 第 2 章 结构有 限元 基本理论与 件概述 . 7 限元法的基本思想及步骤 7 态分析的理论基础 9 态分析概述 9 态分析的基本理论 11 态分析基本步骤 13 13 13 分析的基本理论 13 稳态分析 14 合分析 14 限元分析软件 述 15 件的主要功能 16 析步骤 17 章小结 18 第 3 章 制动器有限元模型的建立 . 19 学模型 19 黑龙江工程学院本科生毕业论文 V 体模型 20 体建模的优点和方法 20 体模型的建立 20 动器有限元模型的建立 22 元的选取及材料参数的确定 22 型的网格划分 23 章小结 25 第 4 章 鼓式 制动器的静态特性分析 . 26 动器的受力分析 26 动鼓的静态特性分析 29 动鼓的边界条件与载荷的施加 29 动鼓的静力学计算结果及分析 29 动蹄的静态特性分析 30 动蹄的边界条件与载荷的施加 30 动鼓的静力学计算结果及分析 31 章小结 32 第 5 章 制动器的振动模态特性分析 . 33 动鼓振动特性分析 33 擦衬片振动特性分析 38 动蹄振动特性分析 43 章小结 49 第 6 章 制动鼓的热 . 50 式制动器生热与散热过程 50 元类型选择与边界条件的处理 51 元类型选择 51 界条件的处理 51 算结果分析 52 动鼓的热分析 52 动鼓的结构分析 53 动鼓的耦合分析 53 章小结 55 黑龙江工程学院本科生毕业论文 论 . 56 参考文献 . 58 致谢 . 60 黑龙江工程学院本科生毕业论文 1 第 1 章 绪 论 题研究的目的和意义 在当前工程技术领域中，有越来越多的复杂的结构，包括其复杂的几何形状、复杂的载荷作用、复杂支承约束等，需要分析研究。当对这些复杂问题进行静、动态力学性能分析时，往往 能够 很 方便地写出 其 基本方程和边界条件，但却不能求出解析解。这是因为大量的工程实际问题是非常复杂的，有些物体的几何形状随意性太大，甚至不能用简单的数学表达式表达出来，所以更谈不上求解析解了。对于这类工程问题，通常有两种分析和研究途径：一是对复杂的问题进行简化，提出种种假设，回避一些难点，最终简化为能够处理的问题。 这种方法由于太多的假设和简化，将导致不准确乃至不正确的答案；二是尽可能保留问题的各种实际工况，寻求近似的数值解，也可以满足工程的需要。在众多的近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为广泛的方法。有限元 法首先应用离散的思想，将弹性连续体划分为有限个单元组成的集合体，通过单元分析和组合，得到一组联立方程组，最后求得数值解 1。 自 20 世纪 50 年代有限元法问世以来，经过不断的充实与完善，在主要的工业国中，有限元法已广泛应用于汽车设计与分析中。若使用有限元法在计算机上建立模型，可极其准确 地 模拟汽车各部分的受力和变形情况，从而可在计算机上得到整车或零部件的有关力学特性，并对其进行判断。而且直接对不符合设计要求的部分有限元模型进行修改和对照，可大大减少所需 研发 时间，得 到 的方案对汽车的再设计具有 有力 的指导意义。 汽 车的设计过程比较复杂 ， 涉及到工程材料、生产工艺、结构力学等众多学科。其中还包括标准零件的正确选择，在 汽车 的结构分析中，有限元法由于能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的优点而被广泛使用，各种汽车结构件都可以用有限元法进行静态分析、固有特性分析和动态分析。在进行静力学分析时，通过有限元分析，可看到构件在各个载荷状况下的变形情况，可以得到刚度、强度等各种力学性能。之后可将这些结果返回到设计过程中，修改其中不合理的参数，经过 反 复的优化，提高汽车设计的质量，使得产品在设计阶段就可保证满足使用要求从而缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，它是提高汽车可靠性既经济又适用的方法之一。 汽车 制动器 是汽车制动系统的主要工作装置， 其强度、刚度及动态特性直接影响黑龙江工程学院本科生毕业论文 2 制动系统的工作特性及使用寿命，影响整车的安全性、舒适性、噪声、操纵稳定性等基本性能。 传统的设计方法周期长、成本高， 术的在 制动器 设计中的应用，可以大大 缩短制动器开发周期、降低开发费用，提高设计质量。 在 制动器 的结构分析中，有限元法 由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的优点而被广泛使用，各种汽车结构件都可以用有限元法进行静态分析、 固有特性分析和动态分析。将分析结果返回到设计过程中，修改其中不合理的参数，经过反复的优化，使得产品在设计阶段就可保证满足使用要求从而缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，它是提高汽车设计的可靠性、经济性、适用性的方法之一。因此， 为了保证其设计的精确性和缩短设计周期，基于有限元分析，研究它的静、动态力学特性，研究其振动噪声，是非常重要和必须的。 限元分析方法的发展与研究状况 限元 法概述 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是 50年代首先在连续体力学领 域 飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后又广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性的问题。有限元分析方法是计算机辅助工程 (统中的一个重要组成部分。 术摒弃了传统机械设计的方法和手段，它以产品的寿命为设计目标，对影响机械产品的寿命的载荷、几何尺寸及材料的机械性能等参数进行测试，定量分析、优化仿真及预测产品零件的寿命，以确定产品机械强度的最佳参数达到机械产品的有限寿命设计的目标，算机辅助测试 )、 算机辅助设计 )等技术，它代表了当今世界机械产品设计的发展水平和发展方向 1。 在实际的工程应用中，设计的结果要付诸实施必须首先经过一系列的工程分析，以验证其是否满足各种设计要求，有限元分析方法的出发点是用大量形状简单的单元组合来近似描述整体结构。将整体结构离散化，利用节点变量对单元内部变量进行插值来实现对整体结构的分析。因此，成功应用有限元分析方法取决于是否将实际工程问题抽象出正确的力学模型，是否将力学模型正确划分有限元集合。实际工程问题抽象和正确力学模型，即对实际问题的边界条件、约束条件和外载荷进行简化，当然这种简化应尽可能的反映实际情况，不 至于使简化后的模型与实际差别过大，同时计算也不过分复杂。模型简化过程中必须判断实际结构的问题类型 (二维、三维、平面应力还是平面应变问题 )，判断结构是否对称，外载荷大小、位置，结构的几何尺寸和材料参数 (弹性模量 E、泊松比 等 )，单元划分的粗细与模型的需要是否相符等。 黑龙江工程学院本科生毕业论文 3 限单元法在机械与汽车结构分析中的应用 有限单元法最早是为解决结构计算而提出的，并成功地应用于工程实践中。随着研究的深入，有限单元法已不仅仅作为一种解决力学问题的分析计算法，而且也是一种数学上解微分方程的数值计算方法。只要微分方程经分割近似 (分片 插值 )，能得到满足要求的解，就可以用有限单元法进行计算。除连续体弹性力学外、塑性力学、流体力学、传热学、结构分析动力学、变流力学等等都广泛使用有限单元法进行计算。因此，有限单元法已经成为一种广泛使用的数学力学计算方法。 在工程技术领域，根据分析目的，有限单元法的应用可以分为三大类：一是进行静力分析，也就是求解不随时间变化的系统平衡问题。如线弹性系统的应力分析，也可应用在静电学、静磁学、稳态热传导和多孔介质中的流体流动等的分析。二是模态分析和稳定性分析，它是平衡问题的推广。可以确定一些系统的特征值或临界值，如结构的稳定性分析及线弹性系统固有特性的确定等。三是进行瞬时动态分析，可以求解一些随时间而变的传播问题。如弹性连续体的瞬时动态分析 (或称动力响应 )，流体动力学等。 在机械与汽车机构分析中，有限单元法已作为一种常用的基本方法被广泛使用。上述的有限元单元法三大应用领域也包含了机械与汽车机构有限元分析的主要应用范围。具体地来讲，机械与汽车机构有限元分析的应用体现在：一是在机械与汽车的设计中，对所有结构件、主要机械零部件的强度、刚度、稳定性分析，有限单元法是一种不可替代的工具；二是在机械与汽车机构的计算机辅助设计（ 优化设计中，有限单元法作为机构分析的工具，已成为其中主要组成部分之一；三是应用在机械与汽车机构动态分析中，采用有限单元发来进行各种构件的模态分析，同时在计算机上直观形象地再现各构件的振动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构的动态设计提供方便有效的工具。 有限单元法除了广泛应用于机械与汽车结构分析中外，还可应用于车身内的声学设计，通过车身内声模态与整体结构模态的耦合，评价乘员感受的噪音并进行噪音控制；还可应用于汽车的空气动力学计算、汽车碰撞和被动安全性计算等等 2。 限元法的优点 有限元法所以能得到迅速的发展和广泛的应用，除了高速计算机的出现与发展提供了充分有利的条件以外，还与有限元法本身的所具有的优越性分不开的。 其优点 不仅可完成一般力学中无法解决的对复杂结构的分析问题；而且引入边界条件的办法简单，为编出通用化的程序带来了极大的简化；此外，有限元法不仅适应于复杂的几何黑龙江工程学院本科生毕业论文 4 形状和边界条件，而且能应用于复杂的材料性质问题。它还成功地用来求解如热传导、流体力学以及电磁场、生物力学等领域的问题。它几乎适用于求解所有关于连续介质和场的问题。 车制动噪声 的 研究现状和发展趋势 汽车制动噪声的研究已在国内外学者中引起了极大的重视。早在 70 年代，美国学者就对汽车盘式制动器的尖叫声做了试验研究，至今仍是研究的课题之一。此后，日、法、德等国研究人员也对制动器的振动和噪声做了大量的试验和研究。这些研究表明，制动尖叫噪声是一种最常见的摩擦形式，它发生在盘式制动器的振动中。而分析尖叫噪声的随机特性一直是许多研究者所追求的目标。 国内从 80 年代末开始进行鼓式制动器制动噪声的研究。主要研究单位有清华大学、长春汽车研究所、东风汽车公司等。主要开展的工作是探讨制动鼓的高频尖叫噪声产生的机理及影响因素， 根据实验结果来描述制动噪声的特征，结合对衬片摩擦特性和机械特性的研究及制动器部件的运动分析，提出降低噪声的途径。 制动噪声的机理解释可大致分为两类 3：自激振动和“热点 (理论。 近期从结构分析角度研究这一问题的文献较多，另外一些研究虽然没有明确提出系统结构分析的概念，但是其抑噪思路是通过尝试修改影响振动噪声的关键部件的结构设计来消除或改变噪声模态的，也应归结为从结构分析角度进行的研究。可以看到，从结构设计角度来抑制制动噪声的研究近来趋于主流的地位。 另一个解释制动振动噪声机理的分支是“ 热点 (理论，该理论认为制动盘表面在制动过程中产生热点导致振动噪声。到目前为止，热点理论的研究无论解析模型还是有限元模型对实际制动器热点的仿真尚不完善。 制动噪声问题由于其复杂性迄今仍未彻底解决，现在一般认为制动噪声的产生主要是由于制动器的结构因素引起的自激振动，主流的研究思路是把整个制动器看作一个整体，通过改变制动器部件的质量、刚度、阻尼或部件动态特性、耦合关系来消除制动器系统的噪声模态。 毫无疑问，对于制动噪声这样复杂的问题，试验研究有无可替代的作用，但是在当前车辆开发设计广泛采用 大大缩短研制周期、降低费用的背景下，建立一套通用的、能结合到 的制动振动噪声预防和解决方法已非常重要，其中最重要的是发展一套建立符合实际制动噪声模型的方法和准确的噪声抑制的分析方法。 黑龙江工程学院本科生毕业论文 5 题研究的主要内容 及技术路线 课题研究的主要内容是 应用有限元分析方法 对汽车 鼓式制动器 进行静力学分析 、模 态 分 析 以 及 热 耦 合 分 析 ， 达 到 掌 握 一 种 流 行 的 机 械 设 计 方 法 和件应用的目的，具体内容如下： （ 1） 确定鼓式制动器的基本尺寸 研究汽车鼓式制动器的组成、结构与设计； 根据制动器的主要 参数，按照汽车制动器设计方法，计算确定建立制动器有限元模型的基本尺寸。 （ 2） 建立结构的有限元模型 根据有限元理论，运用有限元分析软件 立鼓式制动器的有限元模型。 （ 3） 静力分析 利用有限元分析软件 有限元模型施加载荷并求解，得到节点位移，并求得单元应变和应力，获得应变、应力云图。 （ 4） 模态分析 利用有限元软件 有限元模型施加约束并求解，得到前十阶固有频率，并获得前十阶模态振型图。 （ 5） 热 利用有限元软件 制动鼓的有限元模型热分析基础上，进行热 耦合分析，并与结构分析结果比较，以验证温度因素对制动鼓的力学影响。 课题研究技术路线如图 示。 黑龙江工程学院本科生毕业论文 6 图 题研究技术路线 汽车鼓式制动器有限元结构分析 研究汽车鼓式制动器的组成、结构与设计 鼓式制动器的受力分析 鼓式制动器类型选择 建立有限元计算模型 鼓式制动器主要参数的测量 对鼓式制动器的关键零件进行 静力分析 对制动鼓进行 热 对鼓式制动器的关键零件进行 模态分析 黑龙江工程学院本科生毕业论文 7 第 2 章 结构有 限元 基本理论与 件概述 限元法的基本思想及步骤 机械结构特性分析是机械产品设计的重要环节。目前，结构分析计算的方法有很多种，有限单元法是运用最为成功、最为广泛的方法 。有限元法是一种采用电子计算机求解复杂工程结构的非常有效的数值方法，是将所研究的工程系统转化成一 个结构近似的有限元系统，该系统由节点及单元组合而成，以取代原有的工程系统。有限元法具有精度高，适应性强以及计算格式规范统一等优点。 有限元法 1是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的自由体。有限元单元的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件。单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集 合体。在此基础上，对每一单元假设一个简单的位移函数来近似模拟其位移分布规律，通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程，即是建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种特性关系集合起来，就可建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后解此方程组求得节点位移，并计算各单元应力。 有限元法运用离散概念 。结构离散，即单元划分，对不同结构可以划分为不同单元，或者划分为几种不同单元的组合。通常二维问题可以划分为三角形或四边形单元，轴对称问题也可作为二维问题处理。三维问题可以划分为四面体、六面体或三棱柱等单元。离散是 把一个弹性连续体分割成由若干个有限单元组成的集合体，单元之间在节点处以铰链相联接，有单元组合而成的结构近似代替原连续结构，通过求解单元内的节点在一定约束和载荷条件下的位移，求解单元内的应力并组合得到一组代数方程组，最后求解得数值解。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解是不同的，有限元求解问题的基本步骤如 下所述。 （ 1） 问题及求解区域定义 根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 （ 2） 求解域的离散化 将求解域近似为具有不同有限大小和形状彼此相连 的有限个单元组成的离散域，黑龙江工程学院本科生毕业论文 8 习惯上称为有限元网格划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法核心技术之一。 （ 3） 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涵形式。 （ 4） 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，从而形成单元刚度矩 阵。 （ 5） 求解 将单元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。联合方程组的求解可用直线法、迭代法和随机法。求解结果是单元节点处状态变量的近似值。 （ 6） 计算单元应力并整理计算结果 根据求得的位移可以求出结构上所有需要的部件上的应力。并能够绘出结构变形图及各种应力分量、应力组合的等值图。 完整的有限元分析流程如图 示。 黑龙江工程学院本科生毕业论文 9 图 限元的分析流程 态分析的理论基础 态分析概述 随着振动理论及其相关学科的发展，人们已经改变了仅仅依靠静强度理论进行结构设计的观念。许多结构是在外部激励或自身动力作用下处于运动状态的。这种运动的其主要成分往往是振动的。如旋转机械的振动，空间飞行器的颤振，车辆、船舶等开始 研究分析结构特点 选程序或编制程序 形成计算模型 试算 计算模型准确性 判别 修改程序 修改模型 正式计算、结果整理 结构设计方案是否修改 否 否 准确 修改方案 是 输出 不修改 结束 黑龙江工程学院本科生毕业论文 10 交通运输工具的振动，机床的振动，武器在发射状态下的振动等。这些机械的设计、评估自然必须考虑动态特性。有些看起来是静态的问题，在结构设计时也必须考虑动态因素的影响。如海工结构设计，除考虑静态因素外，风载、浪载、地震载荷及自身动力都是必须涉及的因素；高层建筑也必须进行风载 、地层载荷的影响颈估；桥梁除风载和地震载荷外，还必须考虑桥上车辆载荷的影响，以及避免引起共振；载有旋转机械的厂房，动态载荷往往是设计的主要考虑因素。还有一些结构，静强度或动强度并不是设计的主要标准，但却要求有良好的振动特性。如空调、洗衣机、微波炉等电器产品的设计不当会引发很大的噪声；音箱、乐器等要求有优良的发声效果。事实表明，振动特性分析在结构设计和评价中具有极其重要的位置。特别是随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，振动分析愈显重要。 模态分 析的经典定义 4：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。由于采用模态截断的处理方法，可使方程数大为减少，从而大大节省了计算机时，减小了机器容量，降低了计算成本。这对大型复杂结构的振动分析带来很大的好处。 作为振动工程理论的一个重要分支，模态分析或实验模态分析为各种产品的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准。而 围绕其结果开展的各种动态设计方法更使模态分析成为结构设计的重要基础。特别是计算机技术和各种计算力法 (如 发展，为模态分析的应用创造了更加广阔的环境。 模态分析的应用可分为以下四类 4： （ 1） 模态分析在结构性能评价中的直接应用 根据模态分析的结果，即模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数，对被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态频率远离工作频率，或工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内；对结构振动贡献较大的振型，应使其不影响结构正常工作为佳。这是模态分析的直接应用，已成为工程界的基 本方法。 （ 2） 模态分析在结构动态设计中的应用 以模态分析为基础的结构动态设计，是近年来振动工程界开展的最广泛的研究领域之一。众所周知，传统的结构设计，在考虑动态因素的结构修改时，是以经验和反复实测为主要手段。因为尽管依据模态分析结果和响应试验容易判断出初步结构的性能缺陷，但在结构修改问题上却往往茫然无所知，设计工程师只能依据经验和现有条黑龙江工程学院本科生毕业论文 11 件进行反复修改和实测，有时甚至将原设计完全推翻重新设计。这大大减缓了设计速度，设计质量也难以达到最优。为此，科技工作者不断探索有依据的结构动态修改方法，以期达到优化设计的目 的。 有限元法 (实验模态分析 (结构动态设计提供了两条最主要的途径。在围绕这两种基本方法所开展的结构动态设计研究工作中，人们提出了很多的方法。这些方法可归为以下六类：载荷识别、灵敏度分析、物理参数修改、物理参数识别、再分析、结构优化设计。它们分别从不同方面解决了结构动态设计中的部分问题，某几种方法的组合可做到结构的优化设计。 （ 3） 模态分析在故障诊断和状态监测中的应用 利用模态分析得到的模态参数等结果进行故障判别，日益成为一种有效而实用的故障诊断和安全检验方法。 （ 4） 模态分析在声控