基于Ansys WB耦合场瞬态模块的热-力耦合分析（案例：刹车盘）

基于Ansys WB耦合场瞬态模块的热-力耦合分析

1、引言

热-力耦合分析根据其耦合的方式一般分为顺序耦合和完全耦合；顺序耦合是单向的，如已知温度计算结构体的变形、应力、应变等；而完全耦合是双向的，如刹车盘制动过程，盘片与摩擦片的摩擦生热，热又导致盘片变形，变形的盘片进一步影响盘片和摩擦片的接触关系，又进一步的影响摩擦生热，即力→热→力→......热力双向耦合。

随着Workbench软件的更新，再2020以后的版本中加入了耦合场分析模块，无论是顺序耦合和完全耦合，均不需要插入命令流，大大简化了分析流程。本文采用耦合场瞬态模块进行完全热-力耦合分析。

图1 WB耦合场模块

2、三维模型搭建与网格划分

利用solidworks对刹车盘进行三维模型的搭建，摩擦片距刹车盘预定距离为1mm，如图2所示，导入Hypermesh中进行几何清理（将小孔、窄边等进行优化）和网格划分，如图3所示，值得注意的是WB对.inp格式（Abaqus）的网格兼容性较好，因此Hypermesh导出网格类型为Abaqus的.inp文件。在这里不再过多的介绍前处理部分，主要针对耦合场的搭建与分析。

图2刹车盘三维模型	图3 刹车盘网格划分

3、耦合场分析搭建

从外部导入.inp网格文件，搭建分析流程，如图4所示。

图4 分析流程搭建

3.1 材料定义

材料属性的定义，参考论文[1]所给出的参数，如下表所示。

对于热力耦合分析，比热容、线膨胀系数、热传导系数是三个必要的热力学参数。

3.2接触条件设置

图5 接触设置

利用运动副中的回转条件来约束刹车盘转动，这里需要注意的是：参考坐标系的Z轴必须为旋转轴，以便后续的转动副荷载的施加（转动副荷载施加的默认方向为绕Z轴的旋转），刹车盘与摩擦片为摩擦接触，摩擦系数设置为0.35。

3.3 约束与加载设置

目前，大多数的网上教程主要有先压后转和先转后压，由于没有考虑汽车惯性力矩的影响，无法很好的还原真实的制动过程，本文通过刹车盘转速的变化来仿真制动过程，因此可以建立3个分析步，分析步1：刹车盘从静止旋转到指定转速；分析步2：对摩擦片加压，同时刹车盘转速下降；分析步3：摩擦片加压完毕后，刹车盘转速持续下降的过程。本文模拟汽车从120km/h制动到60km/h，车轮尺寸为R17，计算可得120km/h时，轮胎转速为480rpm，60km/h时为240rpm。假设，摩擦片施压时间为0.2s，整个制动时间为0.6s。由于不考虑刹车盘从静止旋转到480rpm的过程，同时保证模型的收敛，假设刹车盘从静止旋转到480rpm所用时间为0.4s，因此整个分析过程为1s。该过程可采用旋转副荷载中的旋转速度进行设置。

图6 刹车盘转速变化设置
图7 摩擦片约束（x方向为施压方向）

摩擦片在整过程中只有一个方向的运动自由度，因此可以利用远程位移对摩擦片进行约束，如图7所示。由于分析步1中，在摩擦片x方向并未施加任何力与位移条件，处于“悬空”状态，为保证收敛，在分析设置中打开“弱弹簧”选项。两个摩擦片压力历程曲线如图8所示.

图8 摩擦片压力历程

最后，加入一个温度边界条件，由于汽车在运动过程中，与空气对流强制换热，空气强制对流系数在100W/ (㎡·K)左右，因此添加对流边界条件，对流系数设置100W/ (㎡·K)。

图9 对流边界条件的设置（注意单位换算）

整个耦合场加载与边界条件的设置结束：

图10 所有加载及边界条件

4、结果展示

 

 

5、文献引用

[1]李月明. 接触方式及接触面积对制动盘温度场的影响[D].大连交学,2019.DOI:10.26990/d.cnki.gsltc.2019.000236.