基于ANSYS的高速列车刹车制动分析

2017-09-28 by:CAE仿真在线来源:互联网

动力制动和摩擦制动是高速列车实现停车所必不可少的制动方式。与传统的踏面制动方式相比,盘形制动方式具有动能转移能力大,摩擦性能好,制动平稳,制动结构简单、安全、可靠等优点。盘形制动的安装方式主要有以下几种方式:

图1盘形制动的安装方式

目前,关于制动盘的研究主要有三个方面的研究:制动盘材料的研究,制动盘制动过程的数值模拟;制动盘制动性能的研究。目前应用的制动盘材料主要有:铁系材料、粉末冶金材料、C/C复合材料以及陶瓷制动材料。西北工业大学的C/C复合材料研究走在前列,其开发的C/C复合材料已经应用航天飞机中的刹车系统中。

制动是一个复杂的过程,涉及到摩擦学、热力学、动力学、材料学等多个方面因素交互作用的过程。本文采用数值模拟技术,借用ANSYS软件,在热-力耦合条件下,分析了高速列车时速在300km/h制动过程中的制动力的剧烈变化引起的制动盘表面温度场、应力场变化的瞬态过程。

1、模型的建立

制动盘工作时的热量产生于制动盘和闸片表面的摩擦。一部分热量通过各种途径散发出去,另一部分在制动片内部积累,是其温度不断升高。本文所选用的制动盘相关物理尺寸及材料参数如下所示:

表1 制动盘相关物理尺寸及材料参数

2、网格的划分

单元选择热应力单元Solid70。模型中可以建立六面体网格划分,然后建立轮盘、散热筋、轮轴的接触。本文采取整体建立模型,利用四面体网格划分。节点数量为206748,单元数量为949320。

对于摩擦的轮盘,在转动的过程中闸片不断改变与轮轴的接触位置,在有热流密度的同时,也和外界空气进行热对流,因此可以选用表面效应单元esurf52。

3、载荷的施加

计算中载荷的施加主要有两种,一种是热流密度,另外一种是与空气的对流换热。在温度上升不是很高的情况下,可以将辐射忽略。

3.1热流密度

由于制动盘实际上是一种能量转换器,将列车的动能转化成为热能,本文将动能转换成的热能以热流密度的方式加载到制动盘的摩擦环上。

任意时刻产生的热量:

式中M为每盘承担的制动质量,即轴重除以盘数。V0是列车的初速度,V是列车任意时刻的行驶速度。将热量对时间求导,再除以摩擦面积即得到任意时刻的热流密度函数,η为动能转换为热能的效率,即:

3.2对流换热系数

气体的流动状态分为层流,紊流、缓和边界层等状态。高速列车运动时候,列车相对空气的运动速度接近声速,需要根据相应的特征数来判断气体的流动状态,继而决定轮盘与空气的导热系数。跟据相关文献,本文选用的制动盘对流换热系数为:

式中Pr为普朗特常数,通常取为;λa为空气导热系数,通常取为;L为壁面长度,取制动盘平均摩擦半径周长;u为空气流动速度,为更好求解计算,假设制动盘各个位置的空气流动速度都约等于列车速度v;λ为空气的运动粘度。

由于在加载过程中,模型的每一步中热流密度和散热系数根据列车速度的不同而不同,因此选用循环的加载方式,每一次加载之前都删除之前的载荷,同时利用函数加载的方式进行加载

4、温度场结果分析

图3分别为制动盘在7S,37S,61S,91S(制动结束)时科的温度分布。从中可以看出,制动开始时,温度快速上升,在7S的时候温度分布已经达到200℃。这说明,开始制动时,流入制动盘的热量远大于制动盘向空气中散出的热量,短时间内热量来不及散出,因此制动盘快速升温。当流入热量等于散热时,温度达到最高值,当流入热量小于散出热量时,制动盘温度开始下井,一直到列车结束。

图4为制动盘最高温度随时间的变化曲线,可以看见,大约在60S的时候,散热盘的温度达到最高值,温度达到460摄氏度。同时温度对时间的斜率可以看出,温度快速升高,缓慢升高,达到最大值后,开始降温。

图4 制动盘温度随时间的变化

5、应力场结果分析

实际制动过程中,制动盘所受的机械载荷包括:旋转产生的离心力、震动载荷、压载载荷等相应的作用力。根据经验得知,与摩擦热产生的热应力相比,忽略掉这些因素。由于制动盘是固定在车轴上的,因此在其内径处的接触面,固定其各个方向的位移,而轴盘是对称的,固定对称面上Z方向的位移。然后倒入热分析结果文件中的节点温度值作为载荷,即可求得热应力场。

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