光威燃油方程式：基于Ansys赛车动力总成制动盘温度分析

导读：在大学生方程式汽车大赛中，制动系统在保障车手生命安全、帮助车队顺利完赛并取得优异成绩等方面起着不可或缺的作用。同时，制动盘又是赛车产生制动力的关键零件，因此，对其进行可靠合理的设计，并进行充分的分析和实验验证，从而保证设计的可靠性，其必要性和价值不言而喻。

图1 方程式赛车制动系统组成

一、方程式赛车制动盘设计

对制动盘的设计，我们认为关键设计指标有两个：强度和抗热衰退性。

首先，制动盘要有足够的强度来抵抗高温下来自摩擦片的压力和摩擦力。这一方面，虽然如今大多数商用制动盘材料都能够保证，但由于大学生方程式赛车的制动盘多为定制，因此要重视对制动盘强度的校核。

其次，抗热衰退性能。制动盘在摩擦片频繁的作用下，随着制动盘的转速减小，动能转化为热能，使得制动盘温度急剧升高。

• 一方面，摩擦片里的有机化合物受热分解，析出的气体、液体导致摩擦系数变小。即在相同踏板力的作用下，摩擦力矩会显著降低，影响赛车的动态表现；

• 另一方面，热量持续传递到卡钳，当温度高于制动液沸点后，会导致卡钳内部分制动液沸腾，使得踏板变软，降低制动系统响应速度，并且严重时还会触碰到踏板下的超行程开关，导致赛车熄火。

因此，我们有必要在设计制动盘时进行多物理场耦合的CAE分析，使得制动盘既能满足强度要求，又有良好的抗热衰退性能。由于强度分析较为简单，本文重点分享制动盘温度的分析方法。

图2 某方程式赛车的前制动盘高温发红

二、基于ANSYS三种制动盘分析方法详解

哈尔滨工业大学方程式赛车队基于ANSYS探索了三种制动盘分析方法。

第一种方法是通过Transient Thermal与Static Structural模块进行热固耦合分析。在Transient Thermal内导入换算后制动产生的热量，通过改变对流换热系数，热辐射系数，热功率等参数进行边界条件对接。将求解出的温度结果导入到Static Structural模块对制动盘进行强度分析，得到在温度场变化情况下的强度结果。

虽然这种方法的难度较低、求解速度较快，但只模拟了制动盘在一瞬间的受力，并不满足制动盘一边减速旋转、一边受压力与摩擦力的实际过程。另外，Transient Thermal模块中热功率施加在整个摩擦片作用区域，而不是瞬间的盘片接触处，再加之各温度系数的选取难度较大，都使得分析结果产生偏差。

图3 热固耦合分析

图4 设置相应的热分析参数

图5 方法一得到的温度结果

第二种方法基于Transient Structural模块，相较于第一种方法，增加了摩擦片实体，模拟了转动—压力—摩擦—生热的真实物理过程。将盘片装配体导入到Geometry中，然后定义制动盘对地面的转动副，再给转动副定义适当的转速来模拟赛车在制动期间速度的变化。同时对摩擦片施加压力，因此制动盘也会受到摩擦力的作用而生热。上述是对边界条件的设置，但Transient Structural模块默认不会计算摩擦生热，因为默认的实体单元solid186没有温度自由度。

所以，为了计算出制动盘在减速过程中产生的热量，需要将默认的solid186单元更改为同时具有温度和结构自由度的单元，再设置相应的参数，便能计算出制动盘在这样的工况下产生的热量。这样便一举两得，同时计算出了我们需要的数据——应力和温度。那么这样有什么缺陷吗？第三种方法能很好阐释

第三种方法还是基于Transient Structural模块，大致步骤与第二种方法相同，唯一不同点在于，不给定制动盘的减速曲线，而是给制动盘赋予初始转速，并考虑换算后的整车转动惯量，制动盘在摩擦片压力产生的摩擦力的作用下，自行减速。

这便与方法二形成了鲜明的对比，方法三是给定压力和初始转速，方法二是给定压力和减速曲线。由于方法三与实际物理过程更相似，因此，在理论上，方法三最贴近实际结果。当然，由于待定参数过多，实际分析难度也是最大的，结果也有待商榷。

那么哪一种方法得到的仿真结果更加符合制动盘的实际温度呢？这取决于分析参数的选择。例如，方法一的对流换热系数、方法三的转动惯量，其数值选取对分析结果的准确性影响很大。这就要求我们要在熟悉基本分析方法的基础上，加强对于各参量物理概念的理解，从而准确做好工况对接——有限元软件只是问题分析的工具，而工况对接是提高分析准确性的关键，也是最值得花费时间进行探索学习的重要步骤。

第一种方法由于没有考虑制动盘的减速转动，而仅是一瞬间的受力，并且把摩擦片在一瞬间作用产生的热量施加在整个摩擦面上，这样都会产生较大的偏差；第二种和第三种方法虽然实现了制动盘减速转动和摩擦生热这两个物理模型，热功率也是瞬时作用在接触面上。但是要想在分析中做到载荷的施加与实际受载一样，基本上不能做到。这样也会导致分析结果与实际不符。

三、赛车如何做到仿真驱动设计

工程师在使用软件仿真时，由于对模型的简化、载荷与约束条件的简化都会导致仿真模型与赛车真实运动工况产生偏差，再加之有限元本身算法的误差等，都使得最后求解的结果会与实际的结果产生偏差。这时候大家可能会思考如何改善载荷与约束条件，如何更准确的刻画模型，如何模拟赛车运动的真实工况，或者是考虑加密网格等，当然，如果能很好的做到这些固然是非常的好，但是这又可能会导致计算量的急剧增加，对大多数的计算机都提出了极高的要求。

在这里，我想说，仿真软件始终都是辅助工程师设计的工具，仿真软件的结果具有参考价值，但是结果又并不能够代表全部。我们工程师需要做的，就是如何通过仿真得到的结果来指导设计，使得设计能更好地满足使用的要求，而不是为了设计答辩而做没有用的仿真。以赛车制动盘为例，我们利用现有的有限元温度分析，优化了制动盘散热孔的布置，并指导了轮边导流散热装置的设计，从而减缓制动系统的热衰退。

最后，我想说，任何有限元仿真，都要与真实的结果进行对照才能衡量仿真的可信度。而如何获取实车制动盘温度，从而与仿真结果进行对比来验证仿真结果的准确性，根据实测结果来指导有限元分析，从而形成闭环流程，是有限元分析不可或缺的重要步骤。

制动盘的温度分析是验证有限元结果准确性非常典型的算例。测量零件内部某点的应力基本无法实现，验证疲劳分析几十万次的循环次数也需要较高的实验成本，而对于温度的测量较为便捷，实现方式也较为简单：哈工大通过在赛车上安装无线制动盘温度传感器来记录温度数据，形成闭环验证，从而提高制动盘热分析的准确性。

对于后续工作的展望，我们正在尝试在Ansys中通过系统耦合器来对轮边系统进行流固热三物理场耦合仿真，期待与大家进行真诚的交流。

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