基于ANSYS Workbench的汽车盘式制动器性能分析

桑振竹，丁振森，杨行，李浩燃，许豪

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

引言

本文以盘式制动器为研究对象，在CATIA中建立三维模型并导入ANSYS Workbench中，对其零部件进行了强度及模态分析，得出了零部件所受的最大应力、固有频率及振型[1]。并在此基础上分析了制动盘尖叫产生的原因。

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型

本文以某小轿车前制动盘作为研究对象，所采用的制动盘在盘面上本来有许多为散热而设计的小孔，经过测量半径不足5mm，对最终的仿真结果影响不大，因此本文在建模过程中忽略这些小孔。本文采用圆形板件，材料采用结构钢，屈服强度为345Mpa。如图1所示为该制动盘的CATIA结构图。

1.2 网格划分

1）模型简化

首先为减少计算的工作量，同时还要保证单元的质量。因此在划分网格之前要对模型进行适当简化。

2）单元理论

本模型采用ANSYS Workbench软件中提供的实体单元(Solid187单元)进行网格划分。

图1 制动盘的CATIA结构图

3）网格划分生成有限元模型

（1）在ANSYS Workbench软件平台建立静力学分析模块，项目中导入制动盘的有限元模型，进行自由网格划分，单位选择为（mm, t, N, s, mv, mA）。

（2）在把模型导入到ANSYS Workbench软件的静力学分析模块之后，需要给所导入的模型添加定义材料属性，整个制动盘的材料为一种，即结构钢。该材料的物理属性见表1。

表1 结构钢材料特性

具体操作步骤如下：此步骤在静力学分析模块中的Engineering Data里面完成，在工程数据里材料属性设置为结构钢，弹性模量为 1.75E11pa，泊松比为 0.3，密度为 7800 kg/m3。

本论文采用Tetrahedrons 中的Patch Conforming 法，它是可以快速地、自动地生成网格，并适合于复杂几何体。网格划分完成后的制动盘有限元模型如图2所示。

图2 制动盘有限元模型

1.3 单元及节点信息

本文对研究的制动盘进行网格划分时，综合制动盘的结构、精度要求及计算时间考虑，选择单元尺寸长度为0.005m进行整体划分，该制动盘共包括34489个节点，共有17899个单元。

2 制动盘强度分析

2.1 约束和载荷确定

（1）定义约束，对制动盘中心孔面施加全约束，对盘体内外端面施加X向约束，对制动盘与摩擦片接触的摩擦面施加Y向和Z向约束。

（2）施加载荷，对摩擦片接触的两侧摩擦面均施加的25MP的载荷。

2.2 制动盘结构静力分析

对制动盘结构的强度进行计算和分析，在导航项中添加求解结果显项变形和应力，然后求解。应力的求解结果云图如图3所示。

图3 制动盘等效应力云图

通过制动盘的应力云图可知，该制动盘在制动过程中所承受的最大应力值为 255.43MP，而该制动盘的屈服强度为345MP，因此该制动盘完全满足强度要求。

变形云图如图4所示。

图4 制动盘的变形云图

由变形云图可知，该制动盘在制动过程中的最大变形为0.0136mm，并且越靠近中心位置变形越小。

3 制动盘的模态分析

制动盘是一个在外界的时变激励作用下将产生振动的弹性系统。共振与系统的固有频率有关。当外界激振频率接近于固有频率时（即共振）不仅不利于制动安全性，而且还会加速部件疲劳，产生噪声，使制动盘的寿命和使用性能受到严重影响。系统的固有频率可通过模态分析求得并且还能得到其它振型[2]。因此，对车架现有结构进行模态分析是确定结构是否产生共振现象的良好方法。

3.1 模态分析的过程与结果

模态分析需要在ANSYS Workbench软件的模态分析模块进行，然后再导入制动盘的几何模型，设置材料属性，对制动盘划分网格，最后求解得到制动盘的模态分析结果，由于本文所研究的制动盘与之前作静力分析的制动盘是一个制动盘，因此，直接用静力分析模块的参数即可。

提取制动盘的前十阶模态频率值及振型描述如表2。

由以上的前十阶频率分布表可知，该制动盘的最低阶频率及一阶频率为4072.1HZ，而通过查阅资料可知，盘式制动器的尖叫频率约在 2100Hz左右，因此该制动器的设计可以避开尖叫频率，不会引起尖叫。

表2 制动盘的频率描述

从该车制动盘的前十阶自由模态可以发现，其固有频率绝大部分是在的圆频率范围内，按圆频率ω与频率f之间的对应公式：

可知，制动盘前十阶模态固有频率大多在10000以内，车辆行驶运转的过程中出现这样的频率的可能性比较小[3]。因此，该制动盘通过模态分析可以发现，其固有频率基本上避开了尖叫频率以及路面上行驶可能出现的频率，出现共振的可能性比较小，因此，该制动盘的设计基本满足要求。

4 结论

本文运用有限元法对某小轿车的前制动盘进行了静力学分析、模态分析，并对结果进行了分析比较，对制动盘特性作出了评价。对制动盘的结构简化、降低成本具有重要的指导意义。