蹄_鼓式制动器热弹性耦合有限元分析

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蹄鼓式制动器热弹性耦合有限元分析2
CHARACTERISTICS OF AUTOMOTIVE DRUM BRAKE
吕振华X X 亓 昌
(清华大学 汽车工程系 汽车安全与节能国家重点实验室 ，北京 100084)
LU Zhenhua QI Chang
( State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation ， Department of Automotive Engineering ，
Tsinghua University ， Beijing 100084 ， China)
摘要 首先探讨蹄 -鼓式汽车制动器的摩擦接触热弹性耦合非线性动力学问题及其分析方法 ，包括摩擦生热模型、
多物理场中的弹性体有限元模型、接触问题模型的建立方法以及相应的数值分析方法。然后 ，利用有限元分析软件ADI2
NA建立-种新型蹄 -鼓式制动器热弹性耦合动力学分析的三维有限元模型 ，确定对模型求解的位移边界条件和热边界
条件 ，设定材料物性参数、加载过程及模拟工况 ，探讨进行制动器热弹性耦合有限元分析的过程 ，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、制动鼓瞬态温度尝应力尝变形场等重要信息。
关键词 蹄 -鼓式制动器 热弹性耦合 有限元方法 瞬态温度场 瞬态应力场
中图分类号 U463. 51 O343. 6TB115
Abstract A finite element simulation method for thermo 2elastic coupling problems including frictional contact during operation pro 2
cess of automotive shoe 2drum brake was studied. The thermo 2elastic coupling finite element analysis methods for friction 2induced heat
transfer ， contact problem and deformation of structures under multi 2physical conditions were discussed ， and the numerical simulation
methods were also introduced. Then ， a three 2dimensional finite element model of a new type shoe 2drum brake was built with finite ele2
ment analysis tool ADINA ， with displacement and thermal boundary conditions given. The material models and loading process were set
up ， and a typical cyclic braking mode was defined. A finite element analysis procedure for the thermo 2mechanical coupling simulation of
the brake is implemented. The numerical results include the contact forces between the friction pair and the drum s transient temperature
distribution ， von Mises stress distribution and deformation.
Key words Shoe2drum brake ; Thermo 2elastic coupling; Finite element method; Transient temperature f ield; Transient
stresses f ield
Corresponding author :LU Zhenhua ， E 2mail : lvzh ###tsinghua. edu. cn ， Fax : 86210262788643
Manuscript received 20020712 ， in revised form 20021214.
1 引言
制动器是保证汽车行驶安全性的关键，为了适应
高速制动条件下摩擦制动器表面高温造成的热衰退以
及可能发生的热弹性失稳 ( thermo2elastic instability ，
TEI) ，在制动器设计开发中必须对其高温工作性能、热
衰退及恢复性能进行预测分析。
制动器的热变形、热衰退以及热弹性失稳 ，是-种
典型的热弹性耦合问题。长期以来 ，国外对此进行了
广泛研究[1～11 ]
，最常用的数值仿真分析方法是有限元
方法。1974年 ，F. E. Kennedy及 F. E. Ling在对制动
器进行的摩擦、磨损分析中首次引入了热弹性有限元
方法[1 ，2 ]
;其后 ，Zagrodzki 从定性和定量两个方面对制
动器工作过程中接触摩擦生热、瞬态温度尝对偶件的
变形和应力及接触压力分布等制动器热弹性耦合分析
的基本问题进行了较为广泛的研究[3 ， 4 ]
;此后 ，包括
VTVS Ramachandra Rao[5 ]
、 C. Watson[6 ]
、 A. J . Day[7 ，8 ]
、
Khairul Fuad[9 ，10 ]
、 Adrian llinca
[11 ]
等人都建立了相应的
有限元模型对此类问题进行研究。但国内目前对这-
领域的研究工作开展的很少 ，就笔者所见 ，仅文献[12 ]
利用有限差分法建立了盘式制动器制动温升热力学模
型 ，分析方法也仅局限于-维非稳态分析。
X
X X 吕振华，男，1961年7月生，汉族。博士，清华大学汽车工程学科教授，博士研究生导师。学术研究方向包括汽车设计理论、动态系统 CAE、机
械振动分析与控制、车辆系统动力学等。已发表汽车技术和振动力学学术论文70余篇，先后获得国家部级科技进步奖二等奖、霍英东教育基
金会高等院校青年教师奖(研究类)等，入选国家教委跨世纪优秀人才计划”。
20020712收到初稿，20021214收到修改稿。
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