陈静;张;陈莹;韩业鹏;刘艳贺;韩忠田
【摘 要】为通用鼓式制动器开发了一种具备控制数据交换和映射插值功能的热流双向耦合数值模拟方法,并将该方法应用到鼓式制动器正常路面制动的模拟中,再与台架试验测得的温度值进行精度对比.结果表明:开发的制动器热流双向耦合分析方法技术手段先进,分析精度高达83％以上,满足工程要求,具备工程应用推广价值.%A numerical simulation method for thermal-flow two-way coupling with control data exchange and mapping interpolation functions is developed for general-purpose drum brake and is applied to the simulation of the braking on normal road with drum brake. Then the results of simulation are compared in accuracy with the tempera-tures measured in bench test. The results show that the thermal-flow two-way coupling analysis method developed is advanced in technical means with a analysis accuracy higher than 83％, meeting engineering requirements with engi-neering application and dissemination values.
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2018(040)005
造纸助留助滤剂
【总页数】6页(P536-541)
【关键词】鼓式制动器;热流双向耦合;台架试验
【作 者】陈静;张;陈莹;韩业鹏;刘艳贺;韩忠田
【作者单位】中国一汽解放商用车开发院,长春 130011;英特工程仿真技术(大连)有限公司,大连 116023;中国一汽解放商用车开发院,长春 130011;英特工程仿真技术(大连)有限公司,大连 116023;英特工程仿真技术(大连)有限公司,大连 116023;英特工程仿真技术(大连)有限公司,大连 116023
【正文语种】中 文
前言
鼓式制动器在客车和重型车辆上具有广泛的应用，它的温度场分析对于摩擦制动器的制动性能乃至汽车行驶安全性和可靠性尤为关键[1]。随着汽车行业技术水平的提高，汽车不断
地向高速、重载的方向发展，在此条件下的频繁或长时间制动，对汽车制动鼓的使用寿命提出了新的挑战。深入研究鼓式制动器在制动过程中的温度状态，分析其影响因素，完善研究方法，对于设计开发出具有足够热容量、在高温条件下保持足够机械强度的制动鼓结构，具有重大的理论与现实意义。
鼓式制动器工作过程中产生的热量主要通过导热和对流的方式进行传递和交换，对制动器生热和能量交换过程的研究涉及摩擦学、流体力学、接触力学和传热学等，是一个典型的热流耦合问题。目前国内外对该类问题的分析通常采用热流顺序耦合的方法[2－6]，即先进行制动器与工作环境的流场仿真分析，输出制动鼓在恒转速和恒温条件下与外界空气的对流换热系数，然后将获得的对流换热系数作为边界条件加载到传热模型中。热流顺序耦合方法虽然计算效率较高，但并未考虑环境温度升高对对流换热系数的影响，根据文献[7]中关于对流换热系数对制动器散热效果的研究可知，随着制动次数的增加，对流换热系数对制动器散热效果的影响将不可忽视，因此，热流顺序耦合方法不适用于多次制动工况。文献[8]中利用ANSYS Workbench平台针对盘式制动器建立了一种三维热流双向耦合分析模型，即流场和热场的数据交换是双向的，但由于盘式制动器与鼓式制动器在摩擦面上的压力分布形式不同，且该模型未考虑摩擦因数的非线性变化，所以不能完全应用到鼓式制
动器上。
为建立一套适用于多次制动过程且能够准确描述接触属性的非线性变化、满足工程要求的鼓式制动器热流双向耦合分析方法，本文中开发了一套制动器专用热流双向耦合数值模拟方法。该方法充分利用了不同分析领域商用软件的优势，通过脚本语言控制Fluent和ABAQUS软件，分别进行制动器与周围环境的流场分析和制动器摩擦生热与传热分析。软件之间的数据传递、数据映射和插值以及收敛性判断等均通过编程语言实现，能够实现流体场和温度场数据的实时双向传递。为了验证所开发方法的精度，对鼓式制动器台架试验正常路面工况进行了热流双向耦合仿真，结果表明，该方法技术手段先进，分析精度高，能有效地帮助设计师提高制动器结构设计的可靠性。
1 热流双向耦合理论分析
1.1 摩擦生热分析
制动过程中，摩擦片与制动鼓的摩擦生热是鼓式制动器热流耦合仿真分析的热量来源，能否准确描述该行为是提高仿真精度的关键因素。假定消耗的机械能完全转化为热能，则制动过程中摩擦接触面上单位时间单位面积上产生的热量即热流密度可以表示为
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式中:q为热流密度；f为摩擦因数；p为接触压强；v为制动鼓和摩擦片的相对速度。摩擦热流平均分配到制动鼓和摩擦片上。
古典滑动摩擦理论认为两物体表面的摩擦因数只与材料属性有关，与摩擦接触面积、相对运动速度和正压力无关。然而在实际工程计算和调研相关文献[9－10]后发现，实际的摩擦因数也会因相对滑动速度、制动器温度和压强的波动而改变。根据试验结果拟合获得的制动鼓摩擦因数随制动压强p、车速v和接触点温度T变化的关系为
本文中利用ABAQUS软件的用户子程序二次开发功能，应用Fortran语言定义并在计算过程中实时读取制动鼓摩擦面各节点的空间位置，根据节点不同空间位置的线速度、压强、温度值按式(2)计算得到该点的摩擦因数，进而通过式(1)得到该点的热流密度值。
1.2 传热学分析
在热力学分析中，热量的传递方式包括:热传导、热对流和热辐射3种。鼓式制动器系统内进行热量传递的方式主要是热传导，与周围空气介质进行热量交换的方式是热对流和热辐射。鼓式制动器系统通过热辐射与周围空气交换的热量约占总换热量的5%～10%[11]，本文中将热辐射损失系数定为0.05，该系数将直接作用到式(1)热流密度值的计算中。
在不考虑热辐射的基础上，鼓式制动器系统与周围空气介质相接触的自由表面满足牛顿冷却定律:
式中:h为对流换热系数，与流体的速度、接触面的形状和温差密切相关；T为制动鼓与周围空气的接触面温度；T0为周围空气温度。
1.3 流体分析
制动鼓周围流场的相对速度远低于0.3Ma，可视为不可压缩湍流运动。流体分析过程中遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。湍流模型采用标准k-ε方程，包括湍流动能方程和湍流应力方程，在忽略浮力项的影响的条件下，它们分别为
式中:k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；μ为动力黏性系数；μt为湍流黏度梯度引起的湍动能项；C1ε，C2ε，Cμ，σk和 σε 为模型常数，取值分别为 1.44，1.92，0.09，1 和 1.3。
1.4 耦合分析
耦合方法可以分为强耦合(直接耦合)和弱耦合(迭代耦合)两种[12]，强耦合方法直接对统一的耦合方程进行求解，耦合方程中的变量将同时更新。与此相反，弱耦合方法对单场分别求解，物理场之间的耦合通过耦合面上的数据传递实现。本文中采用弱耦合的方法计算制动鼓热流双向耦合问题，对流体场和温度场采用单独的求解器，在热流耦合界面，需要满足温度的连续性条件和热流平衡条件:江苏交通广播网101.1
式中:Tf为流体场界面温度；Ts为温度场界面温度；qf为流体场界面热流密度；qs为温度场界面热流密度。
耦合面间的数据映射和插值采用控制面法，此算法具有全局守恒的特点，能够保证最精确的数据映射和插值结果。流固耦合界面数据传递的收敛性判断公式为
其中 ε＝‖ϕnew－ϕpre‖/‖ϕnew‖
式中:ε为对耦合面传递的数据进行归一化处理的结果；ϕnew为当前耦合迭代步的耦合界面载荷矢量；ϕpre为上一个耦合迭代步的耦合界面载荷矢量；toler为用户输入的容差值。当ε∗≤0，即 ε＜toler时，默认收敛。郁可欣
殷保华近况热流双向耦合分析的具体流程如下，流程示意图如图1所示。
(1)通过脚本控制启动Fluent软件开始流场分析，计算制动鼓初温条件下的表面热流量，计算完成后输出耦合面上的热流量值，将输出的热流量作为初始面载荷，通过点对点的映射和插值加载到ABAQUS热场分析模型中。
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