搜索基于ANSYS的高速列車剎車制動分析
2017-09-28 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
動力制動和摩擦制動是高速列車實現停車所必不可少的制動方式。與傳統的踏面制動方式相比,盤形制動方式具有動能轉移能力大,摩擦性能好,制動平穩,制動結構簡單、安全、可靠等優點。盤形制動的安裝方式主要有以下幾種方式:
圖1盤形制動的安裝方式
目前,關于制動盤的研究主要有三個方面的研究:制動盤材料的研究,制動盤制動過程的數值模擬;制動盤制動性能的研究。目前應用的制動盤材料主要有:鐵系材料、粉末冶金材料、C/C復合材料以及陶瓷制動材料。西北工業大學的C/C復合材料研究走在前列,其開發的C/C復合材料已經應用航天飛機中的剎車系統中。
制動是一個復雜的過程,涉及到摩擦學、熱力學、動力學、材料學等多個方面因素交互作用的過程。本文采用數值模擬技術,借用ANSYS軟件,在熱-力耦合條件下,分析了高速列車時速在300km/h制動過程中的制動力的劇烈變化引起的制動盤表面溫度場、應力場變化的瞬態過程。
1、模型的建立
制動盤工作時的熱量產生于制動盤和閘片表面的摩擦。一部分熱量通過各種途徑散發出去,另一部分在制動片內部積累,是其溫度不斷升高。本文所選用的制動盤相關物理尺寸及材料參數如下所示:
表1 制動盤相關物理尺寸及材料參數
2、網格的劃分
單元選擇熱應力單元Solid70。模型中可以建立六面體網格劃分,然后建立輪盤、散熱筋、輪軸的接觸。本文采取整體建立模型,利用四面體網格劃分。節點數量為206748,單元數量為949320。
對于摩擦的輪盤,在轉動的過程中閘片不斷改變與輪軸的接觸位置,在有熱流密度的同時,也和外界空氣進行熱對流,因此可以選用表面效應單元esurf52。
3、載荷的施加
計算中載荷的施加主要有兩種,一種是熱流密度,另外一種是與空氣的對流換熱。在溫度上升不是很高的情況下,可以將輻射忽略。
3.1熱流密度
由于制動盤實際上是一種能量轉換器,將列車的動能轉化成為熱能,本文將動能轉換成的熱能以熱流密度的方式加載到制動盤的摩擦環上。
任意時刻產生的熱量:
式中M為每盤承擔的制動質量,即軸重除以盤數。V0是列車的初速度,V是列車任意時刻的行駛速度。將熱量對時間求導,再除以摩擦面積即得到任意時刻的熱流密度函數,η為動能轉換為熱能的效率,即:
3.2對流換熱系數
氣體的流動狀態分為層流,紊流、緩和邊界層等狀態。高速列車運動時候,列車相對空氣的運動速度接近聲速,需要根據相應的特征數來判斷氣體的流動狀態,繼而決定輪盤與空氣的導熱系數。跟據相關文獻,本文選用的制動盤對流換熱系數為:
式中Pr為普朗特常數,通常取為;λa為空氣導熱系數,通常取為;L為壁面長度,取制動盤平均摩擦半徑周長;u為空氣流動速度,為更好求解計算,假設制動盤各個位置的空氣流動速度都約等于列車速度v;λ為空氣的運動粘度。
由于在加載過程中,模型的每一步中熱流密度和散熱系數根據列車速度的不同而不同,因此選用循環的加載方式,每一次加載之前都刪除之前的載荷,同時利用函數加載的方式進行加載
4、溫度場結果分析
圖3分別為制動盤在7S,37S,61S,91S(制動結束)時科的溫度分布。從中可以看出,制動開始時,溫度快速上升,在7S的時候溫度分布已經達到200℃。這說明,開始制動時,流入制動盤的熱量遠大于制動盤向空氣中散出的熱量,短時間內熱量來不及散出,因此制動盤快速升溫。當流入熱量等于散熱時,溫度達到最高值,當流入熱量小于散出熱量時,制動盤溫度開始下井,一直到列車結束。
圖4為制動盤最高溫度隨時間的變化曲線,可以看見,大約在60S的時候,散熱盤的溫度達到最高值,溫度達到460攝氏度。同時溫度對時間的斜率可以看出,溫度快速升高,緩慢升高,達到最大值后,開始降溫。
圖4 制動盤溫度隨時間的變化
5、應力場結果分析
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