汽车鼓式制动器的三维建模及其有限元分析设计论文.doc

某鼓式制动器的三维建模及其有限元分析学 院专 业班 级学 号姓 名指导教师负责教师2010年6月沈阳航空航天大学毕业设计（论文）摘 要国内汽车市场迅速发展，而轿车是汽车发展的方向。然而随着汽车保有量的增加，带来的安全问题也越来越引起人们的注意，而制动系统则是汽车主动安全的重要系统之一。因此，如何开发出高性能的制动系统，为安全行驶提供保障是我们要解决的主要问题。另外，随着汽车市场竞争的加剧，如何缩短产品开发周期、提高设计效率，降低成本等，提高产品的市场竞争力，已经成为企业成功的关键。首先，通过CATIA建立鼓式制动器三维实体模型，然后将制动鼓，制动蹄三维实体模型，导入ANSYS中，进行静力学分析。以研究制动鼓、制动蹄的应力、位移状态。检查是否满足强度要求。除此之外，对鼓式制动器进行模态分析。确定其固有频率和固有振型，以检验鼓式制动器是否会发生共振，并为降低制动噪音提供了方案。关键词：鼓式制动器；CATIA；ANSYS；模态分析A drum brake of 3d modeling and finite element analysisAbstractRapid development of domestic automobile market, and the direction of development of auto cars. However, with the increase of car quantities of security is becoming more and more attention, and brake system is an important system of active safety car. Therefore, how to develop high-performance braking system, provide guarantee for safe driving is the key problem to be solved. In addition, with the automobile market competition intensifies, how to shorten the development cycle, and improve the design efficiency and reduce cost, increase the market competitive enterprises has become the key to success.First of all, the adoption of CATIA drum brakes three-dimensional solid model set up. And then drum brake, brake shoes three-dimensional solid model into ANSYS, carries on the statics analysis. To study the drum brake, brake shoe of the stress, the displacement status. Check the drum brake whether satisfies the intensity request.In addition, which carries on the modality analysis to the drum brake. Afterwards determine its natural frequency and inherent vibration mode, examines the drum brake wether can have resonating. The finite mode analysis is conducted to find methods for lowering the brake noise.Key works:Drum brake; CATIA; ANSYS; Modal Analysis目 录1绪论11.1引言11.2汽车制动系发展历史31.3鼓式制动器有限元分析的国内外研究状况41.4课题的来源、主要研究内容41.4.1课题来源51.4.2 主要研究内容52鼓式制动器的三维建模与装配72.1CATIA软件概述72.2CATIA的主要功能模块简介92.3鼓式制动器的实体模型102.3.1制动蹄的三维建模112.3.2摩擦蹄片的三维建模112.3.3装配制动蹄及摩擦衬片122.3.4制动底板、制动鼓及辅助零件图的三维建模122.3.5鼓式制动器的装配133 鼓式制动器有限元的静力分析163.1有限元法概述163.2有限元分析在国内汽车业的应用173.3 ANSYS软件介绍183.4鼓式制动器有限元模型的建立193.4.1定义单元类型193.4.2定义材料特性203.4.3划分网格223.5接触的施加243.5.1识别接触对253.5.2定义目标单元263.5.3定义接触单元273.5.4设置接触状态283.5.5检查接触单元情况293.6位移边界条件293.6.1制动蹄的位移边界条件293.6.2 制动鼓的位移边界条件303.6.3 施加载荷313.7计算结果及分析334制动器的有限元模态分析374.1引言374.2模态分析设置374.3制动鼓模态分析394.4制动蹄的模态分析45总结51参考文献52致 谢53III沈阳航空航天大学毕业设计（论文）1绪论1.1引言汽车是现代交通工具中用得最多，最普遍，也是最方便的交通运输工具。汽车制动系是汽车底盘上的一个重要系统,它是制约汽车运动的装置。而制动器又是制动系中直接作用制约汽车运动的一个关健装置，是汽车上最重要的安全件。汽车的制动性能直接影响汽车的行驶安全性。随着公路业的迅速发展和车流密度的日益增大,人们对安全性、可靠性要求越来越高，为保证人身和车辆的安全,必须为汽车配备十分可靠的制动系统。本次毕业设计题目为Santana2000轿车制动系统设计。通过查阅相关的资料，运用专业基础理论和专业知识，确定Santana2000轿车制动系统的设计方案，进行部件的设计计算和结构设计。使其达到以下要求：具有足够的制动效能以保证汽车的安全性；本系统采用X型双回路的制动管路以保证制动的可靠性；采用真空助力器使其操纵轻便；同时在材料的选择上尽量采用对人体无害的材料。汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在长坡时能维持一定车速的能力，称为汽车的制动性。汽车的制动性由：（1）制动效能即制动距离和制动减速度；（2）制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。（3）制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑，以及失去转向能力的性能；三方面来进行评价。对制动系的设计要求主要有以下各项；（1）应具有足够的制动力，工作可靠。 一般在水平干燥的沥青，混凝土路面以上初速度30Km/h制动时，制动距离应保证：对轻型载货车不大于7m,中型载货汽车不大于8m,重型载货汽车不大于12m,停车制动的坡度：对于轻型货车不小于25%，中型货车不小于20%；(2)操纵应轻便。操纵制动系所需的力不应过大，对重型载货汽车，这点极为重要。一般要实施于踏板上的力不应大于200-300N；紧急制动时，不超过700N。施于手制动杠上的不大于250-350N；(3)制动稳定。前后轴上的制动力分配应合理，左右车路上的制动力应相等；以免汽车在制动时发生侧滑和跑偏；(4)制动应平稳。制动时，制动力的增加应迅速，平稳。解除制动时，制动作用应迅速消除；(5)避免自行制动。在车轮跳动或汽车转向时，不应引起自行制动；(6)散热性好，摩擦片的抗热衰退能力要高，磨损后的间隙应调整，并且能防水，防油，防尘等。(7)工作可靠性。制动系各部分工作应可靠，即使在系统的某些部分失效时也不至于完全丧失制动能力。为此，制动系中应有必要的安全设备和报警装置。(8)公害程度，要求制动时制动系本身和轮胎的噪声尽可能小，并力求减小飞散在空气中的有害于大体的石棉纤维。(9)有良好的冷态制动效能，能产生足够的制动力，使汽车的行车制动，应急制动和驻车制动性能符合强制性标准的要求。汽车用机械摩擦式制动器可分为鼓式与盘式两种。鼓式制动器按制动可分为：领从蹄式，双领蹄式，双向双领蹄式，单向增力式等多种形式。鼓式制动器是最早形式的汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛用干各类汽车上。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构型式。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，后者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半袖套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮鼓上。制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦路片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩，故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带，其旋转摩擦元件为制动鼓，并利用制动鼓的外因柱表面与制动带摩擦片的内圆弧面作为一对摩擦表面，产生摩擦力矩作用于制动鼓，故又称为带式制动器。在汽车制动系中，带式制动器曾仅用作一些汽车的中央制动器，但现代汽车已很少采用。所以内张型鼓式制动器通常简称为鼓式制动器，通常所说的鼓式制动器就是指这种内张型鼓式结构。领从蹄式制动器如图所示，若图上方的旋向箭 头代表汽车前进时制动鼓的旋转方向(制动鼓正向旋转)，则蹄1为领蹄，蹄2为从蹄。汽车倒车时制动鼓的旋转方向变为反向旋转，则相应地使领蹄与从蹄也就相互对调了。这种当制动鼓正、反方向旋转时总具有一个领蹄和一个从蹄的内张型鼓式制动器称为领从蹄式制动器。领蹄所受的摩擦力使蹄压得更紧，即摩擦力矩具有“增势”作用，故又称为增势蹄；而从蹄所受的摩擦力使蹄有离开制动鼓的趋势，即摩擦力矩具有“减势”作用，故又称为减势蹄。“增势”作用使领蹄所受的法向反力增大，而“减势”作用使从蹄所受的法向反力减小。领从蹄式制动器的效能及稳定性均处于中等水平，但由于其在汽车前进与倒车时的制动性能不变，且结构简单，造价较低，也便于附装驻车制动机构，故这种结构仍广泛用于中、重型载货汽车的前、轮制动器及轿车的后轮制动器 图1.1 S液压式领从蹄式鼓式制动器结构示意图1.2汽车制动系发展历史早期汽车制动器采用的是与四轮马车相同的轮胎制动器。它利用一个长杠杆把一块摩擦衬片垫紧压在轮胎上来完成制动。1889年，德国人戴姆勒把制动鼓装在汽车后轮上，再绕上钢缆而成为制动装置。1898年，美国人埃 安 斯佩里设计汽车采用了第一个前轮盘式制动器。1902年，美国人奥尔兹在纽约沿河大道上作了一次重要的制动试验，所用的是抱闸带式制动器，当踩下制动踏板时，制动带把车轮箍紧而使汽车停住。到1904年，几乎所有厂家都在其新车的后轮上都安装了此种抱闸带式制动器。1902年，法国的雷诺发明鼓式制动器。同年英国人廷切尔在汽车上首次使用了空气制动器，利用压缩空气配以活塞和杠杆等产生很大的推力以顶住车轮。1907年，英国人弗罗特提出用石棉板作制动片的设想，随后被用于解决制动产生的噪音问题。1911年，法国人别儒设计出第一个四轮制动器。1918年，英国人洛克希德制造出了液压制动器，它是利用液压主缸和油管把压力油传递到制动轮缸，使制动系压紧制动鼓。1921年，美国人杜森贝克才第一个在汽车的四个轮子都装上了液压制动器，组成了完整的汽车液压制动系统。1955年，英国道路研究所实验室研制出了第一个实用的防抱死制动装置，并被命名为“马克斯雷”。1960年，重型汽车开始使用排气制动器，并在20世纪70年代生产的轻型汽车上得到普及。1973年，电子式摩擦片磨损警报装置开始使用。当摩擦片达到磨损极限时，就会立刻发出警报。1985年，通用汽车公司首先在汽车上采用电动助力制动器，它是一种全液压装置。1.3鼓式制动器有限元分析的国内外研究状况国内汽车鼓式制动器的研究起步较晚，基本上还是处在从运动学、动力学、摩擦学及振动学分析到热学与热弹耦合的过渡阶段。从研究方法上来看，以三维实体建模、动力学仿真和有限元为主线的虚拟样机技术已经被运用到鼓式制动器的研究当中，与国外相比，还很不成熟。1993年，华南理工大学的王涛、朱文坚对制动摩擦副材质对制动性能的影响做了研究，并提出了制动副材料的最佳匹配问题。同济大学方明霞等人用有限元法建立了鼓式制动器摩擦片的力学模型，分别计算了摩擦片在力场和温度场中的应力分布。2003年清华大学的吕振华利用有限元分析软件ADINA建立了鼓式制动器热弹顺序耦合动力学分析的三维有限元模型，通过仿真计算得到制动器工作过程中摩擦副间接触力分布、制动鼓瞬态温度场等重要信息。2005年清华大学的李亮进行了制动过程中能量耗散的研究，建立了循环制动过程中温度场分析的快速有限元仿真模型，通过试验验证，确认了仿真模型的正确性。2006年，长安大学依据传热学理论和鼓式制动器的结构特点，分析了鼓式制动器的生热和散热过程，并用有限元法建立了制动鼓瞬态温度场数值模拟计算模型，得出了鼓式制动器温度场的三维分布状况，对促进制动器的设计具有一定的现实意义。2006年北京科技大学的宁晓斌采用有限元软件ANSYS、多体动力学仿真软件MSC.ADAMS建立了鼓式吉林大学硕士学位论文制动器的虚拟样机模型，对北京首钢重型汽车制造厂32t重型汽车的鼓式制动器进行仿真计算，得出的鼓式制动器的制动效能因数与试验测试结果基本相符。2007年吉林大学用ANSYS建立了制动器的简化零件模型，并对其进行了接触和热分析，通过单场的形式仿真出了制动器零件上的应力场和温度场。2008年马讯和朱前进运用ANSYS对鼓式制动器的制动鼓在各种工况下的温升过程进行了仿真分析，得到了一些有价值的结论。国内外关于鼓式制动器的专利也有很多，大致可分为摩擦材料、结构形式和制造工艺三类，但均未涉及仿真手段与设计方法。国内外制定的国家及行业标准大致分为名词术语的定义、台架试验方法和制动性能要求三类，亦未涉及仿真手段与设计方法。国内各类汽车设计手册上给出的设计方法也基本处于经验公式加安全系数的状态。以上所述的国内外专家学者对鼓式制动器性能、特别是对接触和热弹耦合的研究，代表了目前国内外对鼓式制动器研究的主要趋势。国内的研究不论是从动力学方面还是从热弹耦合方面来看，多是从单一物理场的角度进行理论分析，尚处于实验室研究阶段。1.4课题的来源、主要研究内容1.4.1课题来源 以sangtana2000的鼓式制动器为研究对象。图1.2为该制动器结构示意图。图1.2 制动器结构示意图该制动器特点如下：一个制动泵是用于每个轮子。两个活塞作用在制动泵的两端。当来自主液压泵的压力作用到活塞中时，活塞向两端推动制动蹄,迫使他们压向制动鼓。当刹车也不被应用时,通过刹车蹄返回弹簧的作用，活塞返回到原位。1.4.2 主要研究内容1.调研、搜集和整理资料。2.利用CATIA三维软件建立鼓式制动器的三维模型。3.将鼓式制动器的三维模型导入到ANSYS中，进行结构分析。以研究鼓式制动器的应力、应变状态及其危险部位，为鼓式制动器的改进和设计提供可靠的依据。4.对鼓式制动器进行模态分析，确定其固有频率和固有振型。以检验鼓式制动器否会发生共振。5.撰写毕业设计论文和英文资料翻译。2鼓式制动器的三维建模与装配2.1CATIA软件概述CATIA 是法国Dassault公司于1975年起发展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。CATIA V5R17中文版是目前CATIA软件的最新版本。CATIA建立在广泛公认的性能优势之上，它把创造性的新技术带到了每一位工程师和设计师的手中。这些技术超越了纯粹的参数化系统和那些已经过时的所谓混合建模系统。高性能装配建模的新功能包括符号代表和柔性部件的全局建模等方面的新增功能。新版本在符合审美学观点的曲面产品设计的基础上，进行大量的结构分析和热力学分析，并且具有更容易使用的行为建模技术等，这些都是用户对设计产生了更大的信心，而无须反复地制造产品的原型。更多的改进体现在加工、布线系统、开放性、系统管理等方面。所以这些都使新的解决方案给人留下了深刻的印象。 CATIA系统的主要特点如下：1. 真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关的地方。2. 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。3. 具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。4. 容易使用，可以极大地提高设计效率CATIA拥有一个全新的用户界面，可以使用户快速入门。对人体工程学的强烈关注体现在为建模提供更大的绘图区域、更简单的视图控制，减少鼠标移动，增强色彩配置方案等，增加用户使用的舒适度：几何模型的建立更加简单，通过使用广泛的图形预览，以及对特征的关键要素进行直接控制的方法，即使是复杂的模型也能轻松对付。所谓全相关性，是指CATIA的所有模块之间都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中对某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，不会有任何损失，使并行工程成为可能，所以能够开发后期的一些功能提前发挥作用。CATIA系统基于特征的多数化造型是指以CATIA用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易地进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角，等等，它们对工程人员来说是熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其他学科都是使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性）、修改参数，很容易进行多次设计迭代，实现产品开发。在数据管理方面，为了加速产品投放市场的速度，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种高效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了CATIA独特的全相关性功能，因而使之成为可能。在进行组件的装配管理时，CATIA的基本结构能够使用户利用一些直观的命令，例如相合、联系、偏移、角度等很容易地把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。所谓不违反几何顺序地调整，是因为在CATIA中进行调整操作时，必须注意特征之间的上下级关系，即父子关系。通常在创建一个新特征时，不可避免地要参照已有的特征，如选择已有的特征曲面作为绘图曲面和参照曲面，选择已有的特征边线作为标注尺寸参照等，此时使形成了特征之间的父子关系，新生成的特征称为子特征，被参照的已有特征称为父特征。对于有父子关系的特征，在进行特征时应倍加小心。通常，可单独地删除子特征，而父特征不会受到影响，但是删除父特征时，其所有的子特征也会一起被删除。对特征进行隐藏操作时，也有同样的效果：如果隐藏父特征，其所有的子特征一起被隐藏，而隐藏子特征时，父特征不会受到影响。所以，确保父特征在整个造型过程中都是非常重要的。在使用CATIA进行设计时，使用的是单一数据库。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自同一库，这样就可以便于每一个独立用户，不管他是哪一个部门的，可以为同一件产品的设计而工作。换言之，在整个设计过程中，任何一处发生改变，都可以前后反映在整个设计制造过程的相关环节上，即全相关。设计者可以创建一个草图，用这个草图来给零件造型，也可以创建该零件的二维工程图，还可以在装配中使用这个零件。设计者可以在其中任何一个模式中修改零件的尺寸。以CATIA能很好地处理这种情况，因为CATIA中所有模式都是相关的。换言之，在一个模式中所作的修改将自动反映到其他各模式中去。这样，就保证了设计模型的一致性。又如：一旦工程图有改变，数据刀具路径也会自动更新；装配工程图如有任何变动，也完全同样地反映在整个三维模型上。这样可保证数据的正确性，并避免反复修改的耗时性。这种独特的数据结构与工程设计制造的完整结合，使得产品的所有设计过程完美结合起来。这一优点，使产品设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。由于采用单一数据库，提供了所谓双向关联性的功能，这种功能也正符合了现代产业中所谓并行工程的思想。2.2CATIA的主要功能模块简介CATIA的主要功能模块包括：创成式工程绘图GDR模块、交互式工程绘图ID1模块、线框、和曲面造型WSF模块、创成式外形设计GSD模块、创成式零件结构分析GPS模块、运动机构模拟KIN模块等。以下是对一些模块的具体介绍。(1) 创成式工程绘图GDR模块 利用3D模型生成相关联的工程图。图纸生成辅助器可大大简化绘制多视图的工作，并且可以自动生成尺寸标注。可以建立与零件材料规格说明相关联的剖面线，可以进行基于标准的附加信息和标注等后处理。图纸与3D主模型的几何关联性可使用户并行地进行设计和工程绘图工作。同时还可输出DXF格式的数据文件。(2) 交互式工程绘图ID1模块 高效，直观的交互式绘图，进行产品的2D设计。可以在一个以CATIA为主干系统的扩展型企业中，供所有2D CAD用户使用。ID1产品集成化的2D 交互功能和高效的辅助作图和注释从两方面进一步丰富了CATIA创成式工程绘图功能，它为用户提供可更加容易和流畅的从2D设计过度到3D设计方式的转变过程。(3) 线框和曲面造型WSF模块 在零件设计的初始阶段，生成线框类结构元素，作为CATIA零件设计产品的补充。线框特征元素和基本的曲面特征元素的使用，大大丰富了现有的3D机构零件设计方法。它的基于特征的方法提供了高效、直观的设计环境，可用于捕捉和重复使用设计的方法和规则。(4) 创成式外形设计GSD模块 外形设计模块基于线框与多个曲面特征组合，可设计复杂的外形。它提供了一套广泛的工具集，以建立并修改用于复杂外形和混合造型设计中的曲面。CATIA创成式外形设计产品的基于特征的设计方法，提供了高效，直观的设计环境，以对设计方法和技术规范进行捕捉并再用。(5) 创成式零件结构分析GPS模块 可以带给用户对设计进行有限元分析预校验的能力。通过专为设计人员提供的简单易学的界面，设计者可以容易的理解分析计算结果，进行初级的机械及振动行为分析。借助颜色编码的图形功能，可以直观地显示变形，位移和应力。该产品可以根据实际零件的善对分析零件添加约束条件。(6) 运动机构模拟KIN模块 通过系统提供的关节联结方式或自动转换装配约束条件而产生关节连接，可以对任何规模的电子样机进行机构定义。通过鼠标操作能够模拟机械运动以校验机构性能。通过干涉检验和分析最小间隙来进行机构的运动分析。可以生成运动零件的轨迹或扫掠体以指导未来设计。还可以通过与其他DMU产品的集成做更多组合的仿真分析。能够满足从机械设计到功能评估的种类工程人员的需要。2.3鼓式制动器的实体模型应用CATIA软件进行三维设计建模，对现代汽车生产制造业，有着至关重要的意义。 对鼓式制动器进行三维实体模型的建立，运用CATIA的强大的3-D模型生成功能，和优越的曲面绘制功能，能够更加准确完善的对鼓式制动器零部件的实际情况进行模拟仿真；同时，CATIA有着与其他软件相应的并行接口，可使生成的相关文件直接导入ANSYS10.0软件进行应力、应变分析。这样，即可直观的对实际问题进行虚拟化解决，又可以弥补ANSYS10.0软件中较薄弱的3-D建模问题，从而加快设计到校核的全过程，最终达到低成本高效率生产加工的目的。创建实体模型用CATIA生成鼓式制动器实体模型的过程如下。2.3.1制动蹄的三维建模首先绘制草图基本图形，通过平面拉伸、孔以及凹槽等功能对其进行局部绘制，从而绘制出制动蹄的三维实体图，图形如下：图2.1 制动蹄的实体图对单个制动蹄运用镜像功能，得到两个制动蹄的三维模型，实体图如下：图2.2 整个制动蹄的实体图2.3.2摩擦蹄片的三维建模通过简单的平面拉伸功能，就可得到摩擦衬片的实体图，如图2.3所示：图2.3 摩擦衬片的实体图2.3.3装配制动蹄及摩擦衬片 将以上建立好的实体图通过装配功能，从而得到制动蹄的实体装配图，如图2.4所示：图2.4 制动蹄实体的装配体2.3.4制动底板、制动鼓及辅助零件图的三维建模制动底板的三维建模，通过平面的拉伸、凹槽以及凸台功能，得出实体图如下：图2.5 制动底板的实体图制动鼓的绘制，通过旋转功能，并在鼓的表面拉伸、凹槽及钻孔等功能，最终建立制动鼓的三维实体图，如图2.6所示：图2.6 制动鼓的实体图2.3.5鼓式制动器的装配将建立好的各个三维实体模型图，在装配设计中，进行装配，添加约束，最终得到制动器的装配图，如图2.9所示：图2.9 鼓式制动器的总装配图图2.10 鼓式制动器的总装配图通过应用CATIA软件进行实体建模，使我充分感觉到了这个软件的灵活、完善和强大。在建模过程中，熟悉了CATIA软件中的各个命令，并能熟练地应用。对实体上一些复杂的曲面，以及凹槽进行了合理的处理。在绘制鼓式制动器实体的过程中，逐渐的了解了CATIA的功能，逐渐深入并更加进一步的学习该软件的知识。建立的实体总装配图，如图2.10所示。该图形是以实际的鼓式制动器为模型，进行建立的。3 鼓式制动器有限元的静力分析3.1有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（CAE）系统中的一个重要组成部分。CAE技术摒弃了传统机械设计的方法和手段，她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，CAE、CAT（计算机辅助测试）、CAD（计算机辅助设计）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。 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世纪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等。有限元法的基本思想及步骤 有限元法的基本思想是将弹性体的求解区域分割成为有限个单元，通过构造插值位移函数，利用最小位能原理，将总位能求极值建立线性方程组，从而求得单元节点的位移值，进一步求得应力值。 有限元法的基本步骤可归纳为：（1）将连续体离散化，为此选择某组单元，这些单元在节点处相连接；（2）计算单元的质量、刚度矩阵和载荷列阵；（3）列出连续体的总体质量矩阵、刚度矩阵和载荷列阵；（4）施加边界条件；（5）求解结果方程组。3.2有限元分析在国内汽车业的应用国内汽车鼓式制动器的研究起步较晚，基本上还是处在从运动学、动力学、摩擦学及振动学分析到热学与热弹耦合的过渡阶段。从研究方法上来看，以三维实体建模、动力学仿真和有限元为主线的虚拟样机技术已经被运用到鼓式制动器的研究当中，但与国外相比，还很不成熟。1993年，华南理工大学的王涛、朱文坚对制动摩擦副材质对制动性能的影响做了研究，并提出了制动副材料的最佳匹配问题。同济大学方明霞等人用有限元法建立了鼓式制动器摩擦片的力学模型，分别计算了摩擦片在力场和温度场中的应力分布。2003年清华大学的吕振华利用有限元分析软件ADINA建立了鼓式制动器热弹顺序耦合动力学分析的三维有限元模型，通过仿真计算得到制动器工作过程中摩擦副间接触力分布、制动鼓瞬态温度场等重要信息。2005年清华大学的李亮进行了制动过程中能量耗散的研究，建立了循环制动过程中温度场分析的快速有限元仿真模型，通过试验验证，确认了仿真模型的正确性。2006年，长安大学依据传热学理论和鼓式制动器的结构特点，分析了鼓式制动器的生热和散热过程，并用有限元法建立了制动鼓瞬态温度场数值模拟计算模型，得出了鼓式制动器温度场的三维分布状况，对促进制动器的设计具有一定的现实意义。2006年北京科技大学的宁晓斌采用有限元软件ANSYS、多体动力学仿真软件MSC.ADAMS建立了鼓式吉林大学硕士学位论文制动器的虚拟样机模型，对北京首钢重型汽车制造厂32t重型汽车的鼓式制动器进行仿真计算，得出的鼓式制动器的制动效能因数与试验测试结果基本相符。2007年吉林大学用ANSYS建立了制动器的简化零件模型，并对其进行了接触和热分析，通过单场的形式仿真出了制动器零件上的应力场和温度场。2008年马讯和朱前进运用ANSYS对鼓式制动器的制动鼓在各种工况下的温升过程进行了仿真分析，得到了一些有价值的结论。国内外关于鼓式制动器的专利也有很多，大致可分为摩擦材料、结构形式和制造工艺三类，但均未涉及仿真手段与设计方法。国内外制定的国家及行业标准大致分为名词术语的定义、台架试验方法和制动性能要求三类，亦未涉及仿真手段与设计方法。国内各类汽车设计手册上给出的设计方法也基本处于经验公式加安全系数的状态。以上所述的国内外专家学者对鼓式制动器性能、特别是对接触和热弹耦合的研究，代表了目前国内外对鼓式制动器研究的主要趋势。国内的研究不论是从动力学方面还是从热弹耦合方面来看，多是从单一物理场的角度进行理论分析，尚处于实验室研究阶段。3.3 ANSYS软件介绍 ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件：由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, IDEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS主要技术特点 ：ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及软件包，其特点：（1）数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。（2）强大的建模能力。ANSYS具备三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。（3）强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。（4）强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。（5）智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。（6）良好的优化功能。（7）良好的用户开发环境。ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成。前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。对于求解模块，用户可以通过定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。后处理阶段是对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果（如应力）在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值（如应力值），清晰地反映了计算结果的区域分布情况。3.4鼓式制动器有限元模型的建立在进行模型的建立时必须对模型进行适当简化，这样可以大大缩短建模时间，而且可以突出主要问题。过于细致地描述一些非关键结构的细节，不但增加建模的难度和单元的数目，还会使有限元模型的单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度。在建模时主要采用以下一些手段来达到模型的简化。、（1）忽略对整体刚度和强度影响不大的凸台、小孔、小筋、倒角、制动鼓安装孔、间隙检测孔等。（2）部分工艺性倒圆以倒角代替，以满足网格划分条件。图3.1 简化装配图 将生成的实体模型文件以model的形式保存，然后导入ANSYS中打开，之后再进行网格的划分。3.4.1定义单元类型定义单元类型的对话框如图3.2所示，单击Add按钮会得到如图3.3所示的单元类型库对话框。从单元类型列表中选择合适的单元类型,单击OK按钮，所定义的单元类型自动更新在单元类型列表的对话框中。若还需要增加新的单元类型，可重复上述的操作.Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，在单元类型列表对话框中，选中Solid中的Brick 8node45 单击OK完成。 图3.2 单元类型表 图3.3单元类型库对话框3.4.2定义材料特性常见的材料特性包括：弹性模量、泊松比、密度、比热、热膨胀系数等。每种材料特性都可以为温度的函数，可随温度的变化而变化。材料特性的定义需分两大类型：线性材料定义和非线性定义。随材料类型的不同，所需定义的材料参数有较大的区别。此次只需研究线性材料。表3.1 制动器各零件物性参数制动器零件弹性模量/()泊松比密度/()制动鼓制动蹄摩擦衬片执行命令Main MenuPreprocessorMaterial PropsMeterial Models，弹出对话框如图3.4：图 3.4 设置材料属性对话框 图3.5 弹性模量、泊松比对话框图3.6密度属性对话框单击Main Menu中的Preprocessor,选中Material Props下的Material Models 的Isotropic项，在对话框 3.5中输入弹性模量及泊松比的值。单击Density项在对话框图3.6中输入密度值。由于制动器有三个实体，所以得分别定义他们的弹性模量、泊松比及密度。3.4.3划分网格执行命令Main MenuPreprocessorMeshingMesh AttributesPicked Volumes 出现图3.7对话框 图3.7 选择体对话框 单击左键选取要拾取的体，进行材料分配。如图3.8所示 图3.8 拾取体 图 3.9 分配材料属性单击Main MenuPreprocessorMeshingMesh ToolMeshPick All网格划分完成。如图3.10所示：图3.10划分网格图3.5接触的施加制动器制动过程中，制动鼓与摩擦衬片之间存在相互挤压及摩擦，因此需定义接触单元，以准确地模拟这一复杂的相互作用过程。ANSYS接触管理器为建立接触对，对这一过程进行接触分析提供了良好的方案。单击Main MenuPreprocessorModelingCreateContact Pair图3.11 接触管理器3.5.1识别接触对判断模型变形时，哪些区域可能接触，对可能接触区域的节点依零件的不同集合成不同的部件。图3.12为选择制动鼓作用表面节点为目标节点部件，图3.13为选择摩擦衬片作用表面节点为接触节点部件。图3.12 目标节点部件 图3.13 接触节点部件3.5.2定义目标单元在接触向导中，依据上一步建立的目标节点部件定义柔性目标单元。由于接触单元被限制不得穿透目标面，对于柔体-柔体接触，选择哪一个面作为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同，从而影响求解结果，具体可参照下面的论述： 如凸面预期与一个平面或凹面接触，则平面/凹面被指定为目标面。 如一个面比另一个面刚，则较柔的面应当指定为接触面，较刚的面应当指定为目标面。 如一个面有较密的网格，而相比较之下，另一个面网格较粗，则较密的网格的面应当是接触面，而较粗网格的面则为目标面。 如果一个面明显比另一个面大（如一个面包围其他面），则较大的面应指定为目标面。 综上所述，因摩擦衬片刚度较制动鼓小，选择制动鼓作用内表面为目标面，摩擦衬片外表面为接触面。图3.14 定义目标单元3.5.3定义接触单元 在接触向导中，依据上一步建立的接触节点部件定义柔性接触单元，图3.12为相关设置，其中接触单元类型为面-面接触。图3.15 定义接触单元3.5.4设置接触状态设置摩擦系数等情况，按下如图Creat按钮，即可创建接触对。图3.16 设置接触状态3.5.5检查接触单元情况ANSYS 接触向导根据下付单元类型自动分配接触单元类型。本论文接触、目标单元的下伏单元为Solid45实体单元。图3.17为检查接触单元外法向是否正确。当程序进行是否接触的检查时，接触面的外法线方向至关重要。对于3D单元，接触面的外法向应该指向目标面。否则，在开始分析计算时，程序可能会认为有过度穿透的面，而很难找到初始解。在这种情况下，程序会立即停止执行。 图3.17 接触、目标单元的外法向图3.6位移边界条件3.6.1制动蹄的位移边界条件约束制动蹄与支承销接触环面的径向位移及接触环面边缘节点的轴向位移，使制动蹄只有绕支承销转这一自由度。施加约束过程中，需对销孔处，建立柱坐标系，通过命令:WorkPlaneLocal Coordinate SystemCreat Local CSAt WP Origin;然后激活新建的局部坐标 WorkPlaneChange Active CSSpecifield Coord System;；选取销孔内侧的节点之后对其施加位移约束：MoldingMove/ModifyRotate Node CSto Active CS ;PreprocessorLoadsApplyDisplacement;图3.18 制动蹄与接触销接触环面约束情况3.6.2 制动鼓的位移边界条件 约束制动鼓与轴接触面节点的轴线与径向位移，使制动鼓只有绕轴向旋转这一自由度。建立中，首先，建立局部柱坐标系，并激活坐标系。WorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreat Local CSAt WP Origin; WorkPlaneChange Active CSSpecifield Coord Systems;（建立局部坐标系的序号一定要大于等于）其次，把要加约束的节点定义到刚刚激活的局部坐标系下并对其施加约束：MoldingMove/ModifyRotate Node CSto Active CS;LoadsDefine LoadsApplyDisplacement;图3.19 制动鼓约束情况3.6.3 施加载荷施加载荷命令：Main MenuPreprocessorDefine LoadsApplyStructural PressureOn areas,弹出如图3.20所示的拾取框，选取制动蹄上的接触面，单击OK按钮，弹出如图3.21所示的“Apply Pres on areas” 对话框,在“VALUE Load PRES value”对应的右面的文本框中输入83，单击OK按钮。对另一个制动蹄同样施加面压强。 图3.20 拾取受压强面 图3.21 Apply PRES on areas对话框图3.22 施加载荷图3.7计算结果及分析 查看sangtana 2000轿车使用与维护手册得：P=7065N。按实际作用力方向对两制动蹄分别施以7065N的制动力，模拟蹄在活塞推动下张开靠紧制动鼓。使其可以跟随鼓的变形，始终保证蹄、鼓的接触，比较符合制动器的真实工作情况，同时克服了以往模型中位移加载所带来的收敛性差、计算误差大的缺点。对两制动蹄施以7065N等促进力后的计算结果如下：图3.20 制动鼓X轴位移 图3.21 制动鼓Y轴位移图3.22 制动鼓Z轴位移从位移图上可以看出，X轴方向上的位移为0.217mm,Y轴方向上的位移为0.198mm,Z轴方向上的位移为0.0826mm,就其制动鼓Z轴位移图特点来说：（1） 最大变形区集中在与两蹄靠近活塞端衬片接触区域，其中靠近活塞端接触部分变形最大达0.217mm.（2） 鼓靠近活塞部分（顶部）与鼓靠近支承销部分（底部）径向变为负，其中鼓顶部变形较大，达0.540mm.（3） 整个制动鼓变形后呈椭圆形喇叭口状，靠近约束环面端径向变形较小，而远离约束环面端径向变形较大，呈开口状。鼓轴截面变形后呈椭圆形，鼓顶部与底部对应为椭圆的短半