轿车盘式制动器的三维建模及有限元分析毕业论文
2021-09-29 18:14:22
摘 要
随着中国汽车工业的快速发展和汽车行驶速度的提高，汽车制动器对汽车行车安全的重要性越来越突出。在这样的背景下，现代轿车更多的采用综合性能较好的盘式制动器以确保行车安全。因此，对轿车盘式制动器进行建模和分析是一项十分有意义的工作。
本文以某款轿车为例，根据其部分整车参数确定了其前轮盘式制动器的主要尺寸参数，利用三维建模软件CATIA对制动器的主要总成零件完成了三维建模，并将其装配，得到盘式制动器的三维模型。在有限元分析部分，先利用有限元分析软件ABAQUS对盘式制动器进行了有限元建模，并应用控制变量的方法确定了制动盘的网格尺寸和有限元分析的质量缩放因子，然后依次进行了施加不同恒定载荷的结果分析、施加不同变化载荷的结果分析以及制动盘以恒定速度旋转的结果分析，最后再进行了模拟制动过程的结果分析，在此分析的内容主要包括制动盘与摩擦块接触区域的CPRESS(压强)分布、CNORMF(法向压力)分布、CSHEARF(切向力)分布以及PE（塑性变形）分布。最终得到了制动盘与摩擦块接触区域CPRESS、CNORMF、CSHEARF和PE的分布规律，即: 制动盘上刚进入接触区域上CPRESS、CNORMF、CSHEARF、PE的值比即将结束接触区域上CPRESS、CNORMF、CSHEARF的值要大；另外CNORMF和CSHEARF的值在制动盘的径向方向上由圆周向圆心有较明显的梯度性的降低的趋势。
关键词：盘式制动器 三维建模 有限元分析 接触压强 法向力 切向力
Abstract
With the rapid development of our automobile industry and the growth of vehicles’ speed, brake is playing a more and more important role in driving safety. Under this background, more modern cars adopt disc brakes which have better comprehensive performance. Therefore, it is a very meaningful job to establish the three-dimensional model of a disc brake and make its finite element study.
This paper determines the main dimensional parameters of a car’s front wheel disc brake basing on the car’s vehicle parameters, establishes the three-dimensional models of the brake’s components and assemblies them to get the model of the brake using CATIA. In the part of finite element analysis, a finite element model for the disc brake is built using ABAQUS. Then the mesh size of the disk and the mass scaling factor of the finite element analysis are determined using the method of controlling variables. Analysis of the processes of exerting different constant loads, exerting different changeable loads and the disk rotating at different constant angular velocities is carried out successively. After that, the simulated braking process is analyzed. The contents of the analysis mainly include contact pressure(CPRESS), contact normal force(CNORMF) and contact shear force(CSHEARF). Finally, the distribution regularity of CPRESS, CNORMF and CSHEARF is obtained.
Key words: disc brake; three-dimensional model; finite element analysis; contact pressure; contact normal force; contact shear force
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要研究内容 5
1.4 预期目标 5
第2章 盘式制动器的三维建模 6
2.1 盘式制动器简介 6
2.2 三维建模软件CATIA简介 7
2.3 盘式制动器的结构选型及主要参数的确定 7
2.3.1 盘式制动器的结构选型 8
2.3.2 盘式制动器主要参数的确定 8
2.3.2.1 制动盘直径D 8
2.3.2.2 制动盘厚度h 9
2.3.2.3 摩擦衬块外半径R2与内半径R1 9
2.3.2.4 摩擦衬块工作面积A 9
2.3.2.5 摩擦衬块的厚度与制动间隙 9
2.4 基于CATIA的三维建模 9
2.4.1 制动盘的三维建模 10
2.4.2 固定制动块的三维建模 12
2.4.3 其它各零件的三维模型 13
2.4.4 盘式制动器的装配 15
2.5 盘式制动器工程图的生成及修改 16
2.6 本章小结 17
第3章 盘式制动器的有限元建模 18
3.1 有限元软件的发展历史及ABAQUS软件的介绍 18
3.2 有限元算法的比较及确定 19
3.3 有限元分析模型的建立 23
3.3.1 基本假设 23
3.3.2 创建部件 24
3.3.3 赋予材料特性 25
3.3.4 定义装配 25
3.3.5 设置分析过程 26
3.3.6 创建接触 26
3.3.7 施加边界条件和载荷 27
3.3.8 模型的网格划分 27
3.4 本章小结 27
第4章 盘式制动器的有限元分析 28
4.1 制动盘和摩擦块网格尺寸的确定 28
4.2 有限元分析质量缩放因子的确定 29
4.3 施加不同恒定载荷的结果分析 30
4.4 施加不同变化载荷的结果分析 34
4.5 模拟制动过程的结果分析 39
4.5.1 制动盘以恒定速度旋转的结果分析 39
4.5.2 模拟制动过程的结果分析 41
4.6 本章小结 46
第5章 总结与展望 47
5.1 全文总结 47
5.2 研究展望 47
参考文献 48
附录A 盘式制动器有限元分析源代码 50
致 谢 58
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
二十一世纪以来，汽车产业在推动我国国民经济的发展中扮演者越来越重要的角色，特别是近些年以来，汽车产业正逐渐发展成为我国国民经济的支柱产业。根据中国汽车工业协会发布的数据，2015年全年中国汽车市场的销量为2459.8万辆，同比增长4.7%，相比上年同期缓减2.18个百分点，这是自2013年以来连续3年超过2000万辆；乘用车的销量在2015年首次超过2000万辆，为2114.63万辆，同比增长7.30%，其中同比增长最为明显的是SUV车型，销量为622.03万辆，同比增长49.65%，其次增速较快的为MPV车型，销量为210.67万辆，同比增长10.05%；中国的几大汽车企业在“世界主要汽车制造商产量排名”的榜单上也都有不错的名次，上汽集团以208.79万的产量排名13，长安汽车集团以144.70万的产量排名15，东风汽车集团以130.17万的产量排名17，北汽集团以111.58万的产量排名19，还有吉利、长城、一汽、华晨、奇瑞、江淮、比亚迪等汽车企业的产量排名也都在50以内。从这些数据可以看出，中国汽车产业正处于一个高速发展的阶段。那么高速发展的汽车产业也对汽车的各个零部件提出了更高的性能要求，这其中极其重要的一个部分就是制动系统的零部件。
制动系统是汽车的一个不可或缺的组成部分，在行车的过程中，汽车的安全性直接由其保障。汽车行驶时在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时维持一定车速的能力，称为汽车的制动性[23]。汽车的制动性是汽车的几大主要性能之一，其直接关系到交通安全，重大的交通事故大多与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑等有关，所以我们说汽车的制动性是汽车安全行驶的保障。汽车的制动性由三个方面来进行评价，即制动效能(制动距离与制动减速度)、制动效能的恒定性（抗热衰退性能）与制动时汽车的方向稳定性（制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能）[23]。汽车制动性的这三个评价指标都是在设计制动器时要考虑到的问题。就拿抗热衰退性能来说，因为汽车的制动过程其实就是将汽车的动能转换为热能，而这个转换的过程就是通过制动器来实现的，那么制动器在吸收热能后，温度必然会升高，此时的制动器还可不可以保持其在温度升高之前的制动效能，已经成为汽车设计工作人员在设计制动器时不可避免的一个重要问题[23]。
