制動帶-摩擦片摩擦接觸的數(shù)值仿真

1、制動帶-摩擦片摩擦接觸的數(shù)值仿真周 勇，向 陽，胡甫才（武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063）摘 要：以某超級油輪的錨機帶式制動器為研究對象，建立了制動帶、沉頭螺釘和摩擦片的三維實體模型，并應(yīng)用大型非線性有限元分析軟件MSC. Marc對制動帶和摩擦片之間的摩擦接觸進行仿真分析，得出其應(yīng)力分布云圖及摩擦制動時制動帶與摩擦片的表面溫度分析規(guī)律，從而為帶式制動器的設(shè)計提供可靠的依據(jù).關(guān)鍵詞：船舶輔助機械；帶式制動器；有限元分析；摩擦接觸；應(yīng)力場；溫度場中圖分類號：U664.5 文獻標識碼：A 文章編號：1000-6982 (2008) 03-0033-04Numerical sim

2、ulation on the frictional contact problems of brake band-friction flakeZHOU Yong, XIANG Yang, HU Fu-cai(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)Abstract: Regard the band brake of VLCC as the research object. The 3D-model of the brake band, counters

3、unk head bolt and Friction Flake is established, and the frictional contact problem of brake band and friction flake was analyzed with the large-scale nonlinear finite element analysis software MSC.Marc. The stress distribution of the band brake and the distributing rules of surface temperature of b

4、rake band and friction flake are acquired. All these will provide reliable warrants for the design of band brake.Key words: marine auxiliary machinery; band brake; FEA; frictional contact; stress field; temperature field0 引言錨機是船舶配套機械的重要組成部分，隨著船舶噸位的增加，這些設(shè)備也朝大型化方向發(fā)展，承受的載荷也越來越大，對其可靠性的要求也越來越高.而錨機帶式制動器的制

5、動帶與摩擦片的摩擦表面接觸溫度及溫度梯度集中反映了載荷、速度、摩擦系數(shù)、材料的熱物理特性及耐久性、摩擦部件的設(shè)計尺寸和工作環(huán)境等因素的影響.因此，有必要深入研究制動過程中帶式制動器的應(yīng)力場、溫度場分布狀況及特點，完善其設(shè)計方法，提高產(chǎn)品的競爭力.國內(nèi)對帶式制動器的研究大都停留在理論分析1和設(shè)計2方面，對其摩擦接觸的數(shù)值仿真的報道還很少.本文以某超級油輪的錨機帶式制動器為研究對象，其結(jié)構(gòu)采用內(nèi)敷摩擦片的制動帶，其中制動帶與摩擦片通過沉頭螺釘連接在一起（見圖1）.，這對于帶式制動器的優(yōu)化設(shè)計具有指導意義.固定端自由端XYZ圖1 制動上帶-上帶摩擦片幾何模型收稿日期：2007-04-02；修回日期：

6、2007-09-18項目性質(zhì)：受“F117鏈徑錨機分析與測試”項目資助作者簡介：周勇（1982-），男，碩士研究生，主要研究方向為結(jié)構(gòu)有限元分析.1 制動帶-摩擦片摩擦接觸的機械應(yīng)力分析 制動帶-摩擦片三維實體建模應(yīng)用CAD軟件SolidWorks創(chuàng)建制動帶及摩擦片的三維實體模型.考慮到接觸分析及節(jié)約計算資源，本文分析對象僅由制動上帶及上帶上帶摩擦片組成，如圖1所示. 制動帶-摩擦片有限元模型 材料物性參數(shù)對制動帶定義各向同性的焊接結(jié)構(gòu)用鋼SM 490YB，彈性模量E=206GPa，泊松比m=0.3，密度 r= 7800kg/m3；對摩擦片定義各向同性的無石棉有機摩擦襯片，彈性模量E=120G

7、Pa，泊松比m=0.3，密度r= 1450kg/m3；對沉頭螺釘定義各向同性的黃銅H62，彈性模量E=05GPa，泊松比m=0.346，密度r= 8430 kg/m3. 載荷及邊界條件上帶摩擦片受到的外力為錨鏈輪施加在其內(nèi)表面的壓力及摩擦力，制動上帶受到的外力為制動下帶作用在銷釘孔的拉力.依據(jù)帶式制動器實際情況，對制動上帶固定端（通過螺栓與船舶甲板連接）施加固定約束和軸向約束,但周向自由；對上帶摩擦片內(nèi)表面施加徑向約束和軸向約束，但周向自由1. 沉頭螺釘?shù)哪M為了較真實模擬上帶摩擦片與制動上帶連接用的沉頭螺釘，采用2個多點約束單元（RBE2）及一個梁單元來模擬單個沉頭螺釘3.且其預緊力的實現(xiàn)采

8、用梁單元的熱脹冷縮原理，故需求出沉頭螺釘在預緊力作用下的變形量，進而求得施加在梁單元上的溫度載荷.經(jīng)計算，施加在梁單元上的溫度載荷為-20.4. 制動帶-沉頭螺釘-摩擦片有限元模型.劃分網(wǎng)格及施加載荷與約束后的有限元分析模型如圖2所示.XY圖2 制動上帶-上帶摩擦片有限元模型 機械應(yīng)力分析結(jié)果分析結(jié)果采用云紋圖形式表達帶式制動器所受的應(yīng)力及位移，制動上帶Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，上帶摩擦片Mises應(yīng)力云圖如圖4所示.圖3 制動上帶應(yīng)力云圖圖4 上帶摩擦片應(yīng)力云圖從圖3可以看出：1）制動上帶兩端的應(yīng)力值較中間部分的應(yīng)力值要小.對于制動上帶在角度f處所取微單元的內(nèi)表面而言，其沿周向外力等效為

9、上帶摩擦片對其施加的摩擦力（隨角度f 變化）.而制動上帶兩端的截面積較中間部分的截面積要大，且摩擦力數(shù)值變化緩慢，綜合考慮外力及截面積，得出中間部分應(yīng)力值較兩端.整個制動上帶應(yīng)力最大值出現(xiàn)在螺釘孔內(nèi)，達到113MPa.2）同側(cè)螺釘孔內(nèi)的應(yīng)力值比較接近，且在螺釘孔內(nèi)均出現(xiàn)應(yīng)力集中情況.3）為便于裝配，在制動上帶自由端處采用20×45°的倒角.從圖4可看出：上帶摩擦片兩端的應(yīng)力值稍大于中間部分，這點恰好與制動上帶相反.這主要是因為在實際裝配過程中，上帶摩擦片是通過沉頭螺釘與制動上帶連接在一起.而對于上帶摩擦片而言，由于上帶摩擦片與錨鏈輪及上帶摩擦片與制動上帶的摩擦系數(shù)相等，均為

10、0.35，故上帶摩擦片在角度f處所取微單元的內(nèi)外表面所受摩擦力大小相等，方向相反，僅受到沉頭螺釘對其沿錨鏈輪旋轉(zhuǎn)方向一致的周向拉力.Pa.2 制動帶-摩擦片摩擦接觸的瞬態(tài)溫度場分析為了分析帶式制動器在惡劣工況下的瞬態(tài)溫度場分布情況，本文將進行錨鏈下落55ms內(nèi)緊急制動過程中帶式制動器的瞬態(tài)溫度場分析.為了節(jié)約計算資源及簡化模型，對帶式制動器瞬態(tài)導熱溫度場分析作如下假設(shè)：1）制動上帶與上帶摩擦片的接觸界面為理想曲面；2）在制動工程中，認為摩擦系數(shù)不隨溫度的改變而變化；3）忽略材料磨損，認為錨鏈輪的動能全部轉(zhuǎn)化為摩擦熱而被摩擦副吸收；4）制動上帶及上帶摩擦片的材料均為各向同性材料，且材料熱物性參數(shù)

11、不隨溫度變化；5）對流換熱系數(shù)為常數(shù)，其不隨空間變化而變化；6）由于輻射換熱對摩擦溫度場的影響很小，可以忽略不計，故僅考慮上帶摩擦片與制動上帶間的熱傳導及制動上帶與環(huán)境之間的對流換熱. 制動上帶-上帶摩擦片有限元模型 材料熱物性參數(shù)制動上帶的導熱率為48W/(m·K)，比熱為460J/(kg·K)，熱膨脹系數(shù)為×10-6m/K；上帶摩擦片的導熱率為100W/(m·K)，比熱為9.8J/(kg·K)，熱膨脹系數(shù)為2×10-6m/K. 制動熱流密度帶式制動器工作時的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅康臒崮?，該熱量以熱流的形式在摩擦副零件間分配.忽略磨損的影響

12、，帶式制動器制動熱流密度可以表示為4： （1）式中，m為摩擦系數(shù)；p(t)為摩擦表面上的比壓（N/m2）；v(t)為制動上帶的相對移動速度（m/s）.其中摩擦表面上的比壓p(t)可由參考文獻1求得，本文假定其值與時間無關(guān)，僅與空間位置有關(guān).實際工作中，制動帶的相對移動速度即為錨鏈輪的瞬時轉(zhuǎn)速.在制動過程中，其隨時間的變化而改變.當船舶拋錨時，在錨鏈逐漸下落的過程中，部分錨鏈及錨的重力勢能轉(zhuǎn)換為參與運動的錨鏈的動能、錨鏈輪的動能、錨鏈主軸的動能.對制動起始時刻及制動終止時刻依據(jù)能量守恒定律且考慮有72%的機械效率損失，經(jīng)計算求得錨鏈輪制動前的瞬時轉(zhuǎn)速為18.58 m/s. 熱流分配系數(shù)熱流分配系

13、數(shù)為5： （2）式中，r為密度，c為比熱，k為熱傳導系數(shù)，下標b、p分別表示制動上帶與上帶摩擦片，即rb為制動帶的密度，rp為摩擦片的密度.將材料的熱物性參數(shù)帶入式（2）中，得：g. 制動上帶對流換熱系數(shù)及摩擦面熱傳導系數(shù)的確定由經(jīng)驗公式得到帶式制動器與海風的平均熱交換系數(shù)6： （3）其中，假設(shè)海風風速10m/s；帶式制動器長度l.海風的熱物理參數(shù)如下：運動粘度v×106m2/s；普朗特常數(shù)Pr；導熱率g ×103W/(m·K).參考文獻7，制動上帶與上帶摩擦片間的接觸熱傳導系數(shù)為2×104W/(m·K). 制動上帶-上帶摩擦片有限元模型對上帶

14、摩擦片內(nèi)表面施加隨空間及時間變化的熱流密度，定義上帶摩擦片及制動上帶兩個接觸體，并指定接觸傳熱性質(zhì)：環(huán)境溫度、與環(huán)境介質(zhì)的對流放熱系數(shù)及接觸體之間處于接觸傳熱時的對流放熱系數(shù).同時定義上帶摩擦片及制動上帶初始溫度為環(huán)境溫度20. 瞬態(tài)熱分析結(jié)果為了觀察瞬態(tài)溫度分布情況，在制動上帶及上帶摩擦片內(nèi)外表面分別選取了部分節(jié)點.上帶摩擦片內(nèi)表面所選節(jié)點如圖5所示，其隨時間變化曲線如圖6所示. 制動上帶外表面所選節(jié)點如圖7所示，其隨時間變化曲線如圖8所示XYZ節(jié)點371節(jié)點631節(jié)點764節(jié)點843圖5 上帶摩擦片內(nèi)表面所選節(jié)點1201008060402000節(jié)點371節(jié)點631節(jié)點843節(jié)點764時間/

15、s溫度/圖6上帶摩擦片內(nèi)表面所選節(jié)點溫度隨時間變化曲線由圖6可以看出：1）在制動初始階段（0s0.1s左右），由于錨鏈輪轉(zhuǎn)速很高，作為熱邊界條件輸入的熱流密度也很大.且在緊急制動工況下，因s0.4s左右），隨著錨鏈輪轉(zhuǎn)速的降低，輸入的熱流密度也不斷減小，同時因s 1.6s），隨著錨鏈輪轉(zhuǎn)速的進一步降低，這時制動上帶的接觸熱傳導及對流換熱的作用大于作為熱邊界條件輸入的熱流密度的作用，上帶摩擦片內(nèi)表面溫度下降加速.2）隨著制動的中止，制動上帶內(nèi)表面所選4個節(jié)點的溫度值趨于相等.主要原因：在制動開始階段，對上帶-上帶摩擦片的溫度場分布起主導作用的是上帶摩擦片與錨鏈輪之間摩擦所產(chǎn)生的熱流密度的輸入，因

16、錨鏈輪施加給上帶摩擦片的比壓不同，故各點熱流密度在數(shù)值上也存在差異，直接導致各節(jié)點溫升的不同；在制動中后期，隨著錨鏈輪速度的減少，輸入的熱流密度逐漸減少，對溫度場的影響也逐漸減弱，而上帶摩擦片與制動上帶的接觸熱傳導及制動上帶與環(huán)境對流換熱對于溫度場分布的影響逐漸占據(jù)主導地位，故隨著制動的結(jié)束，制動上帶內(nèi)表面所選4個節(jié)點的溫度值趨于相等.3）由于受到熱流密度的輸入和熱傳導及對流換熱的交替作用，以致所選4個節(jié)點溫度隨時間變化的曲線呈鋸齒形，而位于自由端側(cè)的節(jié)點371因輸入的熱流密度較小，其隨時間變化的溫度曲線相比其它節(jié)點較為平滑.XYZRTZ節(jié)點5327節(jié)點5274節(jié)點5334節(jié)點5038圖7 制

17、動上帶外表面所選節(jié)點1201008060402000節(jié)點5274節(jié)點5327節(jié)點5038節(jié)點5334時間/s溫度/圖8 制動帶外表面所選節(jié)點溫度隨時間變化曲線由圖8可看出：制動上帶外表面溫升比較平緩，其表面溫度約在1ss.這是因為隨著時間的推移及接觸熱傳導的作用，制動上帶的溫度緩慢上升，但由于接觸熱傳導溫度的降低及對流換熱，所選各點溫度又緩慢下降.3 結(jié)語通過對制動上帶與上帶摩擦片的摩擦接觸進行數(shù)值仿真和分析，可以得出以下結(jié)論：1）該制動上帶與上帶摩擦片的強度在制動工況下均滿足設(shè)計要求；2）上帶摩擦片與制動上帶的接觸面在制動初始階段存在很大的溫度梯度，將會產(chǎn)生不容忽視的熱應(yīng)力；3）上帶摩擦片表

18、面溫度隨時間變化的曲線呈鋸齒形，這將引起摩擦區(qū)域溫度的間歇變化，產(chǎn)生周期性變化的熱應(yīng)力；4）由于接觸區(qū)域的摩擦熱流密度的輸入與錨鏈輪和上帶摩擦片間的接觸界面的壓力分布有關(guān)，而溫度的變化必然導致上帶摩擦片的熱變形，即摩擦界面間的溫度場與應(yīng)力場是耦合的.故要更準確地研究帶式制動器地制動過程，就必須要對帶式制動器進行熱機耦合分析.參考文獻：1楊耀峰，吳春英.帶式制動器的理論分析和設(shè)計J.西北輕工業(yè)學院學報，1995, 13 (3): 27-30.2王玉亭.大型帶式制動器設(shè)計與制造J.起重運輸機械,1995, (8): 9-13.3薛闖，賈建軍，舒嶸，王建宇等.裝配體結(jié)構(gòu)有限元分析中的螺釘連接模型J.科學技術(shù)與工程，2006, 6(7): 825-828.4Kennedy. F. E. Jr. Surface Temperatures in Sliding Systems- A Finite Element AnalysisJ. ASME Journal of Tribology, 1981, 103:90-96.5Jianqun.Gao, Si.C.Lee, Xiaolan. Ai and Harvey Nixon. An FFT-Based Transient Flash Temperature Model for General Three-Dimensional