沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
进行建立的。
15
沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
3 鼓式制动器有限元的静力分析
3.1有限元法概述
有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后又广泛地应用于求解热传导、电磁场，流体力学等连续性的问题。有限元分析方法是计算机辅助工程（CAE）系统中的一个重要组成部分。CAE技术摒弃了传统机械设计的方法和手段，她以产品的寿命为设计目标，对影响机械产品的寿命的载荷、几何尺寸及材料的机械性能等参数进行测试，定量分析、优化仿真及预测产品零件的寿命，以确定产品机械强度的最佳参数达到机械产品的有限寿命设计的目标，CAE、CAT（计算机辅助测试）、CAD（计算机辅助设计）等技术，它代表了当今世界机械产品设计的发展水平和发展方向。
在实际的工程应用中，设计的结果要付诸实施必须首先经过一系列的工程分析，以验证其是否满足各种设计要求，有限元分析方法的出发点是用大量形状简单的单元组合来近似描述整体结构。将整体结构离散化，利用节点变量对单元内部变量进行插值来实现对整体结构的分析。因此，成功应用有限元分析方法取决于是否将世纪工程问题抽象出正确的力学模型，是否将力学模型正确划分有限元集合。实际工程问题抽象和正确力学模型，即对实际问题的边界条件、约束条件和外载荷进行简化，当然这种简化应尽可能的反映实际情况，不至于使简化后的模型与实际差别过大，同时计算也不过分复杂。模型简化过程中必须判断实际结构的问题类型（二维、三维、平面应力还是平面应变问题），判断结构是否对称，外载荷大小、位置，结构的几何尺寸和材料参数（弹性模量E、泊松比等），单元划分的粗细与模型的需要是否相符等等。 有限元法的基本思想及步骤
有限元法的基本思想是将弹性体的求解区域分割成为有限个单元，通过构造插值位移函数，利用最小位能原理，将总位能求极值建立线性方程组，从而求得单元节点的位移值，进一步求得应力值。 有限元法的基本步骤可归纳为：
（1）将连续体离散化，为此选择某组单元，这些单元在节点处相连接；
16
沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
（2）计算单元的质量、刚度矩阵和载荷列阵；
（3）列出连续体的总体质量矩阵、刚度矩阵和载荷列阵； （4）施加边界条件； （5）求解结果方程组。
3.2有限元分析在国内汽车业的应用
国内汽车鼓式制动器的研究起步较晚，基本上还是处在从运动学、动力学、摩擦学及振动学分析到热学与热弹耦合的过渡阶段。从研究方法上来看，以三维实体建模、动力学仿真和有限元为主线的虚拟样机技术已经被运用到鼓式制动器的研究当中，但与国外相比，还很不成熟。1993年，华南理工大学的王涛、朱文坚对制动摩擦副材质对制动性能的影响做了研究，并提出了制动副材料的最佳匹配问题。同济大学方明霞等人用有限元法建立了鼓式制动器摩擦片的力学模型，分别计算了摩擦片在力场和温度场中的应力分布。2003年清华大学的吕振华利用有限元分析软件ADINA建立了鼓式制动器热弹顺序耦合动力学分析的三维有限元模型，通过仿真计算得到制动器工作过程中摩擦副间接触力分布、制动鼓瞬态温度场等重要信息。2005年清华大学的李亮进行了制动过程中能量耗散的研究，建立了循环制动过程中温度场分析的快速有限元仿真模型，通过试验验证，确认了仿真模型的正确性。2006年，长安大学依据传热学理论和鼓式制动器的结构特点，分析了鼓式制动器的生热和散热过程，并用有限元法建立了制动鼓瞬态温度场数值模拟计算模型，得出了鼓式制动器温度场的三维分布状况，对促进制动器的设计具有一定的现实意义。2006年北京科技大学的宁晓斌采用有限元软件ANSYS、多体动力学仿真软件MSC.ADAMS建立了鼓式吉林大学硕士学位论文制动器的虚拟样机模型，对北京首钢重型汽车制造厂32t重型汽车的鼓式制动器进行仿真计算，得出的鼓式制动器的制动效能因数与试验测试结果基本相符。2007年吉林大学用ANSYS建立了制动器的简化零件模型，并对其进行了接触和热分析，通过单场的形式仿真出了制动器零件上的应力场和温度场。2008年马讯和朱前进运用ANSYS对鼓式制动器的制动鼓在各种工况下的温升过程进行了仿真分析，得到了一些有价值的结论。
国内外关于鼓式制动器的专利也有很多，大致可分为摩擦材料、结构形式和制造工艺三类，但均未涉及仿真手段与设计方法。国内外制定的国家及行业标准大致分为
17
沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
名词术语的定义、台架试验方法和制动性能要求三类，亦未涉及仿真手段与设计方法。国内各类汽车设计手册上给出的设计方法也基本处于经验公式加安全系数的状态。以上所述的国内外专家学者对鼓式制动器性能、特别是对接触和热弹耦合的研究，代表了目前国内外对鼓式制动器研究的主要趋势。国内的研究不论是从动力学方面还是从热弹耦合方面来看，多是从单一物理场的角度进行理论分析，尚处于实验室研究阶段。
3.3 ANSYS软件介绍
ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件：由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, IDEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
ANSYS主要技术特点 ：ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及软件包，其特点：（1）数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。（2）强大的建模能力。ANSYS具备三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。（3）强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。（4）强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。（5）智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。（6）良好的优化功能。（7）良好的用户开发环境。
ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成。前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。对于求解模块，用户可以通过定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。后处理阶段是对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果（如应力）在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值（如应力值），清晰地反映了计算结果的区域分布情况。
18
沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
3.4鼓式制动器有限元模型的建立
在进行模型的建立时必须对模型进行适当简化，这样可以大大缩短建模时间，而且可以突出主要问题。过于细致地描述一些非关键结构的细节，不但增加建模的难度和单元的数目，还会使有限元模型的单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度。在建模时主要采用以下一些手段来达到模型的简化。、
（1）忽略对整体刚度和强度影响不大的凸台、小孔、小筋、倒角、制动鼓安装孔、间隙检测孔等。
（2）部分工艺性倒圆以倒角代替，以满足网格划分条件。
图3.1 简化装配图
将生成的实体模型文件以model的形式保存，然后导入ANSYS中打开，之后再进行网格的划分。
3.4.1定义单元类型
定义单元类型的对话框如图3.2所示，单击Add按钮会得到如图3.3所示的单元类型库对话框。从单元类型列表中选择合适的单元类型,单击OK按钮，所定义的单元类型自动更新在单元类型列表的对话框中。若还需要增加新的单元类型，可重复上述的操作.Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，在单元类型列表对话框中，选中Solid中的Brick 8node45 单击OK完成。
19