制動盤熱機械耦合仿真系統(tǒng)的開發(fā)

方明剛，杜利清，郭立賓，金文偉，黃 彪

（南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

制動盤熱機械耦合仿真系統(tǒng)的開發(fā)

方明剛，杜利清，郭立賓，金文偉，黃 彪

（南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

為實現(xiàn)制動盤不同工況下熱機械耦合仿真分析，采用APDL（ANSYS Parametric Design Language）語言編程實現(xiàn)仿真過程的參數(shù)化，同時通過UIDL（User Interface Development Language）語言及TCL/TK語言編寫界面，開發(fā)了嵌入ANSYS系統(tǒng)內(nèi)部的仿真集成系統(tǒng)。提出的方法可為制動盤及其他車輛制動部件的熱機械耦合仿真工作提供有效的指導和依據(jù)，開發(fā)的仿真系統(tǒng)具有一定的實用價值。

制動盤；熱機械耦合；參數(shù)化；系統(tǒng)開發(fā)

制動盤作為軌道交通車輛基礎制動裝置中的重要執(zhí)行部件，其對盤體材料的機械性能及熱容量等具有很高的要求。在現(xiàn)代制動盤設計方法中，依據(jù)車輛運行工況，在樣品研制及臺架試驗前通過仿真分析，為制動盤設計提供足夠的理論依據(jù)，對縮短設計周期、節(jié)約研發(fā)成本起到越來越重要的作用。其中，基于有限元方法的熱機械耦合仿真，是目前廣泛采用的仿真分析方法，國內(nèi)外學者及技術(shù)人員對此進行了較多研究［1-3］。

考慮軌道交通車輛的制動工況類型較多，仿真過程繁雜，尤其對于城市軌道及城際動車組等，由于車輛運行過程存在較短距離間的反復起動與制動，對實際線路運行工況模擬工作量往往較大，仿真前期建模過程的載荷計算及輸入工作繁雜。本文基于ANSYS軟件，通過APDL語言編程實現(xiàn)了熱機械耦合過程的參數(shù)化，并進一步開發(fā)了一套專門的制動盤參數(shù)化仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)集三維模型導入、有限元模型建立、工況類型選擇、載荷計算、載荷及約束施加、仿真分析以及結(jié)果提取為一體，結(jié)構(gòu)上按照熱機械耦合仿真的順序包括前處理模塊、仿真計算模塊以及后處理模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各模塊功能如圖1所示。

根據(jù)設計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照仿真過程的先后順序，針對各具體模塊功能采用UIDL語言分別設計相應的功能菜單系統(tǒng)，進而組織各功能菜單調(diào)用由UIDL語言及TCL/TK語言編寫的對話框系統(tǒng)。對話框系統(tǒng)允許進行相關(guān)的功能選擇、參數(shù)輸入等，并實現(xiàn)相應的功能操作及結(jié)果輸出。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 UIDL、TCL/TK與APDL混合編程方法

UIDL語言及APDL語言是ANSYS提供的專門用于用戶界面設計及參數(shù)化有限元分析的二次開發(fā)語言。UIDL語言可編寫ANSYS支持的、允許客戶根據(jù)需要定制的各類標準型樹狀菜單系統(tǒng)及簡單功能對話框系統(tǒng)。但對于界面較為復雜的對話框，UIDL語言無法實現(xiàn)。

TCL/TK是ANSYS支持的、并提供相應API函數(shù)的腳本語言，其可嵌入UIDL語言中，并可實現(xiàn)對APDL語言的調(diào)用，從而實現(xiàn)與ANSYS系統(tǒng)的交互訪問。并可定制復雜的對話框，從而彌補UIDL定制的標準對話框的不足［4］。

UIDL、TCL/TK與APDL混合編程流程如圖2所示，其具體實現(xiàn)步驟如下：

（1）針對具體仿真問題，首先采用APDL語言編程，參數(shù)化實現(xiàn)整個仿真過程。

（2）根據(jù)仿真過程定義各具體實現(xiàn)功能模塊，并利用ANSYS宏技術(shù)組織管理APDL程序，得到各功能宏文件（.mac格式）。

（3）根據(jù)模塊功能實現(xiàn)需要，采用UIDL語言編寫標準的系統(tǒng)模塊菜單系統(tǒng)及功能對話框系統(tǒng)；采用TCL/TK語言定制非標準對話框。

（4）對話框定義程序中要求添加宏文件輸入?yún)?shù)的接口，并添加宏文件調(diào)用代碼，從而實現(xiàn)對APDL程序的界面封裝。

（5）宏文件執(zhí)行結(jié)果通過UIDL語言及TCL/TK語言提取并輸出顯示至對話框中。

通過混合編程，可充分發(fā)揮各語言優(yōu)勢，實現(xiàn)定制用戶界面與ANSYS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的交互訪問，擴充ANSYS原有功能，提高有限元仿真的效率。

2.2 仿真模型建立

考慮制動盤結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性，為降低計算規(guī)模，采用三維造型軟件建立盤體1/4模型。導入ANSYS后，設置盤體材料屬性，并定義SOLID98單元類型，對盤體進行網(wǎng)格劃分。同時，在盤體三維模型的對稱分割面處施加對稱約束。

車輛制動時，夾鉗動作帶動閘片夾緊制動盤，制動盤與閘片之間摩擦產(chǎn)生熱能。產(chǎn)生的熱能大部分由制動盤盤體吸收，熱機械耦合仿真時，在閘片與制動盤摩擦面貼合區(qū)域施加熱流密度載荷。同時，制動盤吸收的熱能在車輛運行過程又通過熱對流及熱輻射的方式傳遞到空氣中；考慮相對于對流換熱，通過輻射釋放的熱量較小，忽略輻射散熱。實際仿真時，在盤體散熱筋及盤環(huán)非摩擦面上施加對流換熱系數(shù)模擬散熱［5］。

2.3 制動工況定義

開發(fā)的系統(tǒng)可實現(xiàn)車輛1次制動、2次連續(xù)制動、3次連續(xù)制動及線路運行等不同類型工況的模擬，因此，需要針對不同工況編寫不同的載荷計算程序。這里僅以3次連續(xù)制動為例進行介紹。1次制動及2次連續(xù)制動工況與之類似，線路運行工況的載荷施加方法筆者在文獻［6］中進行了介紹。圖3所示為3次連續(xù)制動過程速度隨時間的變化曲線及對應的熱流密度及對流換熱系數(shù)變化曲線。

根據(jù)載荷曲線，將載荷曲線轉(zhuǎn)折點處的載荷值及時刻值輸入TABLE類型數(shù)組，即為加載所需的載荷TABLE表，其定義流程如圖4所示。

2.4 關(guān)鍵功能實現(xiàn)

（1）三維幾何模型導入

（2）載荷TABLE表定義

（3）載荷施加面定義及載荷施加

（4）制動盤溫度顯示及最大溫度值提取

（5）制動盤節(jié)點應力時間歷程曲線

2.5 菜單系統(tǒng)及對話框開發(fā)

根據(jù)之前設計完成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及具體的功能模塊組織管理編程得到APDL程序，生成各功能宏文件。采用UIDL語言及TCL/TK語言定制菜單及對話框系統(tǒng)，并在對話框中添加與宏文件的調(diào)用接口，完成系統(tǒng)界面開發(fā)。系統(tǒng)相關(guān)菜單及功能對話框如圖5所示。

3 仿真實例

以某城市地鐵車輛在AW3載荷狀態(tài)、平直道條件下連續(xù)3次純空氣緊急制動為例，并假設車輛加速及制動過程為勻加速及勻減速過程。其車輛及制動參數(shù)如表1所示，線路運行工況參數(shù)如表2所示。

仿真結(jié)束后得到的盤體上若干節(jié)點的溫度時間歷程曲線如圖6所示。

從圖中可以看出：制動開始后，盤體溫度逐漸上升；制動結(jié)束、立即起動加速后，盤體溫度逐漸減低；加速到最大速度時，盤體對流損失的熱能低于上次制動過程產(chǎn)生的熱能，盤體存儲的熱能進一步增加，盤體溫度逐漸升高。圖7為制動過程盤體溫度最高時刻的溫度云圖。散熱筋溫度低于摩擦面溫度，摩擦面溫度分布根據(jù)背部散熱筋分布情況而不同。3次連續(xù)制動過程盤面最高溫度為170.895℃，滿足制動盤材料溫度要求。

圖8、圖9分別為盤體上若干節(jié)點的應力歷程曲線及盤體應力最大時的應力狀況。

可以看出，盤體應力在制動過程迅速上升，在加速過程由于快速對流，盤體溫度降低，制動盤整體處于較低應力水平。盤體應力最大部位出現(xiàn)在摩擦面及散熱筋過渡處，最大應力為74.134 MPa，滿足盤體材料強度要求。

4 結(jié) 論

（1）對采用UIDL、TCL/TK及APDL語言進行ANSYS二次開發(fā)的方法進行了探討，給出了UIDL、TCL/TK與APDL混合編程的實現(xiàn)方法。

（2）針對不同工況，討論了制動盤熱機械耦合仿真的參數(shù)化實現(xiàn)方法，并給出了若干關(guān)鍵過程的實現(xiàn)代碼。

（3）開發(fā)了集成于ANSYS軟件環(huán)境下的制動盤熱機械耦合仿真集成系統(tǒng)，有效提高了制動盤設計工作的效率，具有一定的實用價值。

［1］ 夏毅敏，薛 靜，姚萍屏，暨智勇.高速動車組制動盤瞬態(tài)溫度與應力計算［J］.中南大學學報（自然科學版），2010，41（4）：1334-1339.

［2］ 黃健萌，高誠輝，唐旭晨，林謝昭.盤式制動器熱結(jié)構(gòu)耦合的數(shù)值建模與分析［J］.機械工程學報，2008，44（2）：145-151.

［3］ Ali Belhocine，Mostefa Bouchetara.Thermal analysis of a solid brake disc［J］.Applied Thermal Engineering，2012，（32）：59-67.

［4］ Erica A.Abbott，Murray L.Scott.The case for multidisciplinary design approaches for smart fibre composite structures［J］.Composite Structures，2002，58（3）：349-362.

［5］ 闕紅波，錢坤才，金文偉.高速列車制動盤溫度及熱應力仿真分析［J］.機車車輛工藝，2009，（04）：9-11.

［6］ 方明剛，郭立賓，黃 彪，金文偉，廉 超.制動盤線路運行工況熱機械耦合模擬研究［J］.鐵道機車車輛，2013，33（5）：59-62.

Development of Thermal Mechanical Coupling Simulation System for Brake Disc

FANG Minggang，DU Liqing，GUO Libin，JIN Wenwei，HUANG Biao
（CSR Qishuyan Institute Co.，Ltd.，Changzhou 213011 Jiangsu，China）

The parametric simulation process was implemented through the APDL（ANSYS parametric design language）programming，which can realize the thermal mechanical coupling simulation of brake disc under different conditions.Accordingly，a simulation integrated system embedded into ANSYS was developed whose user interface was implemented through the UIDL（user interface development language）and TCL/TK language programming.The presented approaches can serve as rational guidance and proofs for the thermal mechanical coupling simulation of brake discs or other brake assembles，and the developed embedded simulation integrated system is of certain practical value.

brake disc；thermal mechanical coupling；parametric；system development

U270.351

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.17

1008－7842（2014）06－0069－05

6—）男，工程師（

2014－04－11）