制动鼓简化模型的有限元分析--课程设计

关键字：制动鼓，ANSYS，安全性。 问题描述：对图示的制动鼓的简化模型进行有限元分析。
1. 采用二维轴对称单元，计算在图示的两种载荷单独作用下及在组合载荷作用下的结构的应力，变形 与安全系数。 2. 采用三维实体单元建模，计算在图示的两种载荷单独作用下及在组合载荷作用下的结构的应力，变 形与安全系数。 3. 采用三维实体单元计算制动鼓的前十阶自由模态。 4. 对二维制动鼓简化模型进行参数化研究及目标驱动的优化设计。
元模拟则更为可靠。
(四)：收敛性分析
本次有限元分析，由于二维模型网格划分较简单，三维模型划分网格足够细密，所求解的结果已接近
收敛值了，故不需要再进行收敛性分析。
(五)：模态分析
模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数
可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。模态分析是研究结构动力特
设计，达到了节省材料的目的。
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(八）文献阅读 1.高性能汽车制动鼓的研究与生产
灰铸铁具有一定的强度、良好的耐磨性和高的抗热疲劳性,材料和制造成本都较低, 长期以来一直 是汽车制动鼓( 盘) 使用的材料。随着汽车向高速重载方向发展, 普通灰铁材质制动鼓的耐磨性能逐渐 不能满足要求。研究表明: 汽车提速后在制动过程中制动鼓的温度急剧上升, 使制动鼓磨损加剧,摩擦 系数下降,影响汽车的制动性能和安全。增加制动鼓的硬度可提高其耐磨性, 但硬度会降低制动鼓的摩 擦系数,为了兼顾二者,对制动鼓的材料成分、组织及性能应进行正确设计和选定。据有关资料介绍:当 制动鼓的硬度满足190～210 HB,金相组织为95%以上的珠光体时, 其摩擦磨损综合性能较理想。
3.基于ANSYS Workbench 的鼓式制动器的接触分析
制动器由制动鼓，制动蹄和摩擦衬片三部分组成，利用高精度20节点六面体单元和10节点四面体单 元进行结构离散。
Input Parameter Goals 不作修改
Response Parameter Goals 中设置 4 个参数为 minimum possible，将 surface area 重要性设置为 higher，
其他为默认。
选取最优方案 A 为设计点，并计算一个参考设计点，作出对比。将优化后的方案应用到原二维静力分析
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图 b-04a
图 b-04b
图 b-05
（4）二维模型的约束和加载：
分 2 种单独情况和其组合情况。固定端加 fixed support，内壁径向加载 pressure，旋转速度用
inertial 中的 rotational velocity。
（5）二维模型的求解：
在 Static Structural 下加入 Total Deformation ，Equivalent Stress 和 Safety Factor,再将
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8 阶模态图
（2）有孔制动鼓自由模态
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10 阶模态图
模态
频率（Hz） 0 0 0 1.7464e-3 2.5728e-3 2.9606e-3 373.76 373.81 934.15 934.26
此处略去有孔模态图 从以上 2 个表格中可以得出，模型的前 6 阶模态的频率接近 0。因为对于无约束的对象来说，前 6 阶为 刚体模态。
数为 150972，总单元数为 34548。如图 b-06 所示：
（4）三维实体模型（开孔）网格划分：
操作同未开孔的三维实体模型，划分完毕后，得到总结点数为 152748，单元数为 35249。如图 b-07 所示：
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图 b-06
图 b-07
（5）三维模型的约束和加载（同二维）：只是需要加载重力载荷，方向沿内壁轴线向下；但对于开螺 栓孔的制动鼓三维模型的约束和加载。由于制动鼓与车轮通过螺栓连接，车轮转动带动制动鼓转动，在 螺栓孔上施加限制绕制动鼓中心的轴向和径向移动的约束。（不加重力载荷）
性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
（1)无孔制动鼓自由模态
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模态
频率（Hz） 0 0 0 1.1358e-3 1.7222e-3 2.954e-3 374.02 374.06 934.35 934.4
其中 8 阶和 10 阶模态如图所示（其他图略）：
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(六)、二维制动鼓简化模型参数化研究及目标驱动的优化设计
输入参数:DM 中 H9=120，它是制动鼓内径，V2=16mm，它是制动鼓壁厚。
回应参数：surface area，total deformation，x directional deformation，maximum principle stress
三维实体模型（开孔）
第一主应力（Mpa） 最大变形（mm)
安全系数
69.2
0.10521
3.4682
5.359
0.0025576
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73.142
0.10706
3.2813
(三)：对比分析
有上述二维与三维数据对比可知：二维平面模型模拟的结果和三维实体模型模拟的结果大致一样，在
一般情况下，用二维平面问题代替三维问题是基本可行的。但精确的工程分析结果，则采用三维实体单
从 project 进入 DS 模块，需注意选择 2D 为分析类型(如图 b-04 所示)。二维模型简单，此处采
用自动划分网格方法。（对于二维平面问题来说，制动鼓选择二维轴对称单元）用 plane183 单元（8
节点轴对称平面单元）离散后，得到 1130 个节点，319 个单元。如图 b-05 所示：
并较好的反映出了制动鼓在静力下的应力和应变特征，且提供了安全系数，直接反映了制动鼓的强度问
题。（PS:灰铸铁是脆性材料，没有屈服极限，只有强度极限）
（4）在模态分析中，求解出了无约束下的制动鼓的自由模态，得出10阶以内的频率，并且验证6阶以内
为刚体模态，频率接近0的特征。
（5）优化设计中，通过对输入参数和回应参数的设置，得出了一个参考方案，即对制动鼓尺寸的重新
（6）三维模型的求解：与二维完全相同，此处略。其求解结果如下：
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第一种载荷 第二种载荷 组合载荷
第一种载荷 第二种载荷 组合载荷
三维实体模型（未开孔）
第一主应力（Mpa） 最大变形（mm)
安全系数
69.052
0.11114
3.4756
1.5319
0.0048413
15
70.254
Hale Waihona Puke 0.115173.4162
课程设计说明书
课程名称
专业课课程设计
设计题目
制动鼓简化模型的有限元分析
班级 T843-2 专业 车辆工程 学号 20080430225
学生姓名
指导教师（签字）
起止日期 2012 年 1 月 19 日- 2012 年 1 月 30 日 2012 年 2 月 20 日- 2012 年 2 月 24 日
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在 DM 模块中，三维实体建模应用 imprint face 来完成对约束和载荷位置的标记，对于内壁径向压力 的标记，应首先在 sketch 中内壁受载一段重复画一段线，然后运用 revolve 旋转该线，用 imprint face 标记旋转面。如下图所示：
图 b-05
（2）三维模型材料的定义（同二维）：选择 gray cast iron 然后进行编辑。杨氏模量为 1.6e5Mpa， 泊松比为 0.27，密度为 6.81e-6kg/mm3。从工程数据框中可以看出，灰铸铁没有屈服极限，只有强度极 限，故知它为脆性材料。 （3）三维模型网格划分（未开孔） 在 mesh control 的 method 里，选择 Hex Dominant Method，对于单元大小，设置 13/1000/2。 这样设置的一个好处是，能够使壁厚同时容纳 2 个单元，有利于求解。 选择 Hex Dominant Method，此时先生成一个平面网格，经过向内拖拉形成块/锥，再在内部添加锥形四 面体单元。这种外面上六面体单元，里面是四面体单元的计算结果很好。 查看离散单元结果，得到 solid186 号 20 节点结构单元和退化后的 solid187 号 10 节点结构单元。总结点
制动鼓简化模型的有限元分析
小组成员：xxx，xx ，xx
（湖北汽车工业学院 汽车工程系 T843-2）
摘要：制动鼓是鼓式刹车系统的一部份，刹车时，活塞对两对半月型的刹车蹄片施加压力，使其贴紧
鼓室内壁，从而产生摩擦来停止车轮的旋转。本文用 ANSYS Workbench 对其进行了几何建模及其力学 性能的分析。制动鼓应当有足够的强度、刚度和热容量及较高的摩擦因子。
分析所需数据：
1. 制动鼓简化模型的形状和尺寸如图七、八所示； 2. 制动鼓所用材料为灰口铸铁，弹性模量为 160GPa，泊松比为 0.27，密度为 6.81g/cm3； 3. 大小为 6.9MPa 的均布载荷作用在长为 130mm 的制动鼓内壁上；制动鼓绕其轴线以 60rad/sec 的角速 度旋转； 4. 制动鼓通过螺栓与轮毂和车轮相连。螺栓中心的位置如图所示。
中，得出下表
H9 V2 surface area total deformation x directional deformation maximum principle stress
原值 120mm 16mm 5258.3mm3 0.1144mm 0.092203mm