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技术邻作者：dyna_focus
文章所包含相关领域及技术点：刹车制动盘、仿真、hypermesh、Ls-dyna
摩擦制动器工作时，运动部件在运动过程中，由于接触所产生的摩擦会使得摩擦副元件的温度升高，而温度升高对材料的性能参数有影响，对摩擦副的摩擦学 特性也有重要的影响，会直接影响摩擦制动器的性能，所以对摩擦制动器元件温度场的分析在制动器的设计中具有重要的意义。在传统的摩擦表面温度场分析中，大都简单地假设摩擦热 产生于相互接触的摩擦副表面，并且人为地预先将热流分配于相互摩擦的摩擦副的表面上，同时，热流在两摩擦副之间的分配是随时间而改变的。为了更好的研究制动器元件在工作过程中的温度场的变化，采用著名的显示动力学计算软件ANSYS LS-DYNA对制动器进行热固耦合分析。
LS-DYNA是国际著名的非线性 动力分析软件，是功能齐全的几何非线性（大位移，大转动和大应变），材料非线性和接触非线性程序，LS-DYNA程序有二维和三维热分析模块，可以进行稳态 或瞬态的热分析，和热固耦合分析，可以处理热传导 ，对流和辐射各种热问题，在焊接，冲压，锻压及碰撞过程 中可方便的参考热问题（如塑形能转化为热能的问题）及热应力 问题等。摩擦制动器在工作过程中不仅有制动盘的大位移非线性，而且有制动盘和摩擦片的接触非线性，并且随着摩擦产生的热会使得制动盘和摩擦片 温度均大幅升高，使得其材料性能参数发生变化，涵盖了几何非线性，接触非线性 ，材料非线性等众多非线性因素，因此选择LS-DYNA软件对制动器的工作原理及温度场进行仿真研究。
本文利用HyperMesh作为前处理软件， HyperMesh是一个高质量高效率的前处理器，它提供了高度交互的可视化 环境帮助用户建立产品的有限元模型。其放开的架构提供了最广泛的CAE，CAE和CFD软件接口 ，并且支持用户自定义，从而可以与任何仿真环境无缝集成 。HyperMesh强大的几何清理 功能可以用于修正几何模型中的错误，修改几何模型，从而提升建模效率；高质量高效率的网格划分 技术可以完成全面的杆梁，板壳，四面体和六面体网格的自动和半自动划分，大大简化了对复杂几何 模型进行仿真建模的过程。本文利用CATIA中建立的几何模型，并且几何模型导入Hypermesh14.0，进行几何模型简化，网格划分，材料属性定义，单元算法定义，边界条件 施加，载荷施加，时间步长控制以及其他热固耦合分析参数设定等，最后导出K文件，利用ANSYS LS-DYNA求解器递交求解，最后利用LSPREPOST进行后处理 结果分析。
用几何导入的方式将CATIA生成的几何模型 导入到Hypermesh14.0,模型如下图所示：
图1 导入后的几何模型图
模型上下各一个刹车片，为简化模型，假设上下摩擦片产生的温度场不会传递到中间层，模型采用对称处理，对制动盘的网格采用完全的六面体映射网格，刹车片将上部不与制动盘接触的几何删除，简化网格划分的难度，进行网格划分后的模型如图2所示，划分后的模型刹车盘单元数为17280个，刹车片的单元数为2952个，单元总数为20232，节点数 为26286个。
图2 进行对称处理及网格划分后的有限元 网格模型
制动器热固耦合分析采用对称模型，对制动盘底部节点进行Y方向自由度的约束，采用刚柔耦合的方法对转盘施加恒定转动速度。dyna在分析过程中更加注重接触算法，基础力学 所分析的对像均只考虑力的受体 ，故输入条件皆为外力量值。然而在真实情况下，物体受力通常是因为与其它的物体发生接触（Contact）才受力，此时外力量值是无法预期的，应该输入的条件往往都是几何上的接触条件。因为有完备的接触力学演算方式，LS-DYNA才得以忠实的仿真现实环境的复杂结构行为，刹车片和制动盘之间的力也是通过接触产生的，因此给刹车片施加向下的位移，通过不断调试刹车片向下位移大小，获得刹车片计算得出力对应的位移大小。
制动盘和刹车片主要选用8节点单元Solid164，单元Solid164如图3所示。
图3 Solide164单元模型
目前较多采用的是8节点六面体实体等单元Solid164来进行后处理分析，这种低阶单元运算速度 快，并且精度很高，制动盘和刹车片单元算法均采用算法1，即缺省的常应力单元计算公式，这种算法采用单点积分 ，需要进行沙漏控制，是最有效和最稳定的8节点体单元算法，通过关键字*SECTION_SOLID定义单元算法。
由于是热固耦合分析，材料的物性参数 和热性参数是分开定义的，即通过不同的材料关键字来定义，刹车片和制动盘物性材料参数采用DYNA弹塑性热分析4号材料模型，即*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL，定义四组不同温度下的弹性模量 ，泊松比，热膨胀系数，屈服应力 和剪切模量，热性材料参数采用6号各向异性热材料即*MAT_THREMAL_ISOTROPIC_TD_LC，热性材料只需要输入材料的密度以及比热容和热传导率 。
刚性体采用20号材料模型，即*MAT_RIGID，定义材料的密度，弹性模量，泊松比，并在材料参数中对相应的自由度进行约束。
当定义好单元算法和材料参数后，通过*part关键字将单元算法和材料参数关联到相应的part中。
目前较多采用的是8节点六面体实体等单元Solid164来进行后处理分析，这种低阶单元 运算速度快，并且精度很高，制动盘和刹车片单元算法均采用算法1，即缺省的常应力单元计算公式，这种算法采用单点积分，需要进行沙漏控制，是最有效和最稳定的8节点体单元算法，通过关键字*SECTION_SOLID定义单元算法。
由于是热固耦合分析，材料的物性参数和热性参数是分开定义的，即通过不同的材料关键字来定义，刹车片和制动盘物性材料参数采用DYNA弹塑性热分析4号材料模型，即*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL，定义四组不同温度下的弹性模量，泊松比，热膨胀系数，屈服应力和剪切模量，热性材料参数采用6号各向异性热材料即*MAT_THREMAL_ISOTROPIC_TD_LC，热性材料只需要输入材料的密度以及比热容 和热传导率。
刚性体采用20号材料模型，即*MAT_RIGID，定义材料的密度，弹性模量，泊松比，并在材料参数中对相应的自由度进行约束。
当定义好单元算法和材料参数后，通过*part关键字将单元算法和材料参数关联到相应的part中。
制动器热固耦合分析，刹车片和制动盘之间存在接触，必须考虑热接触问题，LS-DYNA可以定义3D和2D状态下的热接触问题。对于三维热接触，目前只能采用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL关键字进行定义，定义刹车片和制动盘之间的动摩擦系数 和静摩擦系数均为0.35，在两接触物体空隙间的导热系数 为40W/(m.K)，两物体间的热辐射因子为0.127，两物体空隙间的热传导系数 为28000 W/(m.K)，最小空隙条件为1mm，最大空隙量为3mm。定义好的接触对如图4所示：
图4 刹车片和制动盘接触对定义
利用关键字*CONTROL_SOLUTION并取值为2，激活热固耦合分析类型，利用*INITIAL_TEMPERATURE_SET对摩擦片和制动盘添加初始温度边界条件，初始温度 设为22度。通过*CONTROL_THREMAL_SOLVER定义分析类型为瞬态非线性热分析，并添加关键字*CONTROL_THREMAL_NONLINEAR激活非线性分析。
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