基于ansys的盘式制动器结构的强度分析和优化

基于ansys的盘式制动器结构分析与优化
姓名：王瑜斌 学号：14721631
指导老师：胡小梅
汽车的制动器作为汽车的重要部件，其制动的性能 好坏直接影响到汽车行驶的安全性。在这里通过有限元 技术对盘式制动器的钳体和制动盘进行强度分析和模态 分析，并进行相应的优化研究。
盘式制动器
定钳盘式制动器的工作原理
应力分析：
将有限元模型导入ANSYS中进行有限元分析。得到制动 钳体的应力云图如图所示，最大的应力值为123.816MPa， 出现在钳体的四个螺栓连接处，而最大应力出现在此处的 原因也是孔的应力集中。
应力最大处
制动钳体应力云图
应力分析：
制动盘的应力云图，从图中可以看出制动盘的最大应 力13.7039MPa，出现在摩擦衬块和制动盘的接触地方。
模态分析
盘式制动器的实际模型与理论模型之间 存在差异,所以在进行分析时,做出一系列假 设:
(l)假设盘式制动器的材料是均匀的各向同性 材料; (2)不考虑制动过程中温度变化对材料性能的 影响; (3)不考虑制动器组成部分之间的影响
模态分析
对制动盘和制动钳体进行模态分析可以得到他们 的固有频率和模态振型。
三维模型
制动钳体
摩擦衬块
制动盘
采用四面体单元对盘式制动器的内外制动钳体和 摩擦衬块底板，摩擦衬块划分网格,对活塞和制动盘 采用六面体单元类型划分网格。
制动盘材料参数
制动盘参数设置包括各个部件的材料、密度、 弹性模量和泊松比，如表1所示。
边界条件的设置：
边界条件包括载荷和约束的设置，通过对制动盘的结构， 工作原理，受力分析进行载荷约束设置：
制动钳的第4阶模态

制动盘的第10阶模态图
对制动盘和制动钳体进行自由模态分析，运用ANSYS 软件的Block Lanczos模态分析方法，计算提取11阶模态， 结果如表所示。
钳体和制动盘的10阶模态的固有频率
固有频率 非常接近！
制动钳体的优化：
采用变密度法对制动钳优化，选择材料
密度作为设计变量，以制动钳30%体积约束
作为约束条件；钳体的第4阶固有频率和制
动盘的的第9阶和10阶固有频率接近，将第4
阶的固有频率作为目标函数，提高它的固有
频率能够避免与制动盘出现共振。
优化结果：
制动钳体的固有频率提高到3942Hz。
优化后制动钳的单元密度分布云图
应力最大处
制动盘应力云图
强度分析
在分析制动器工作的受力状态时，强度校核时以最大拉 应力为强度准则，查表1得到各材料力学性能参数，如表所示。
表1 材料的力学性能
根据许用应力计算公式，安全系数n取2，钳体的 许用应力为290/2=145，制动盘的许用应力250/2=125， 钳体，制动盘最大应力均小于其材料的许用应力。
汽车最大制 动力矩公式
1）从CATIA导入到ansys中,为了简化模型，将制动钳体上的 4个螺栓及螺母模型去除掉，而采用刚性单元的螺栓连接来 约束孔的6个自由度；钳体的下部份两个孔是通过2个螺钉固 定在车桥上的，因此要约束这两个孔的6个自由度。
2）制动时通过液压油推动活塞，再推动摩擦块压 向制动盘，因此约束住活塞和制动块的的3个旋转 自由度和X、Z方向的平动自由度； 3）约束制动盘的X、Y、Z的3个平动自由度和X、 Z的旋转自由度，使制动盘只能绕Y轴进行转动。