方明剛，杜利清，郭立賓，金文偉，黃 彪

（南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

制動(dòng)盤熱機(jī)械耦合仿真系統(tǒng)的開發(fā)

方明剛，杜利清，郭立賓，金文偉，黃 彪

（南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

為實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤不同工況下熱機(jī)械耦合仿真分析，采用APDL（ANSYS Parametric Design Language）語言編程實(shí)現(xiàn)仿真過程的參數(shù)化，同時(shí)通過UIDL（User Interface Development Language）語言及TCL/TK語言編寫界面，開發(fā)了嵌入ANSYS系統(tǒng)內(nèi)部的仿真集成系統(tǒng)。提出的方法可為制動(dòng)盤及其他車輛制動(dòng)部件的熱機(jī)械耦合仿真工作提供有效的指導(dǎo)和依據(jù)，開發(fā)的仿真系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

制動(dòng)盤；熱機(jī)械耦合；參數(shù)化；系統(tǒng)開發(fā)

制動(dòng)盤作為軌道交通車輛基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中的重要執(zhí)行部件，其對(duì)盤體材料的機(jī)械性能及熱容量等具有很高的要求。在現(xiàn)代制動(dòng)盤設(shè)計(jì)方法中，依據(jù)車輛運(yùn)行工況，在樣品研制及臺(tái)架試驗(yàn)前通過仿真分析，為制動(dòng)盤設(shè)計(jì)提供足夠的理論依據(jù)，對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約研發(fā)成本起到越來越重要的作用。其中，基于有限元方法的熱機(jī)械耦合仿真，是目前廣泛采用的仿真分析方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了較多研究［1-3］。

考慮軌道交通車輛的制動(dòng)工況類型較多，仿真過程繁雜，尤其對(duì)于城市軌道及城際動(dòng)車組等，由于車輛運(yùn)行過程存在較短距離間的反復(fù)起動(dòng)與制動(dòng)，對(duì)實(shí)際線路運(yùn)行工況模擬工作量往往較大，仿真前期建模過程的載荷計(jì)算及輸入工作繁雜。本文基于ANSYS軟件，通過APDL語言編程實(shí)現(xiàn)了熱機(jī)械耦合過程的參數(shù)化，并進(jìn)一步開發(fā)了一套專門的制動(dòng)盤參數(shù)化仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集三維模型導(dǎo)入、有限元模型建立、工況類型選擇、載荷計(jì)算、載荷及約束施加、仿真分析以及結(jié)果提取為一體，結(jié)構(gòu)上按照熱機(jī)械耦合仿真的順序包括前處理模塊、仿真計(jì)算模塊以及后處理模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各模塊功能如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照仿真過程的先后順序，針對(duì)各具體模塊功能采用UIDL語言分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能菜單系統(tǒng)，進(jìn)而組織各功能菜單調(diào)用由UIDL語言及TCL/TK語言編寫的對(duì)話框系統(tǒng)。對(duì)話框系統(tǒng)允許進(jìn)行相關(guān)的功能選擇、參數(shù)輸入等，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能操作及結(jié)果輸出。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 UIDL、TCL/TK與APDL混合編程方法

UIDL語言及APDL語言是ANSYS提供的專門用于用戶界面設(shè)計(jì)及參數(shù)化有限元分析的二次開發(fā)語言。UIDL語言可編寫ANSYS支持的、允許客戶根據(jù)需要定制的各類標(biāo)準(zhǔn)型樹狀菜單系統(tǒng)及簡(jiǎn)單功能對(duì)話框系統(tǒng)。但對(duì)于界面較為復(fù)雜的對(duì)話框，UIDL語言無法實(shí)現(xiàn)。

TCL/TK是ANSYS支持的、并提供相應(yīng)API函數(shù)的腳本語言，其可嵌入U(xiǎn)IDL語言中，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)APDL語言的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)與ANSYS系統(tǒng)的交互訪問。并可定制復(fù)雜的對(duì)話框，從而彌補(bǔ)UIDL定制的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話框的不足［4］。

UIDL、TCL/TK與APDL混合編程流程如圖2所示，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）針對(duì)具體仿真問題，首先采用APDL語言編程，參數(shù)化實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真過程。

（2）根據(jù)仿真過程定義各具體實(shí)現(xiàn)功能模塊，并利用ANSYS宏技術(shù)組織管理APDL程序，得到各功能宏文件（.mac格式）。

（3）根據(jù)模塊功能實(shí)現(xiàn)需要，采用UIDL語言編寫標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)模塊菜單系統(tǒng)及功能對(duì)話框系統(tǒng)；采用TCL/TK語言定制非標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話框。

（4）對(duì)話框定義程序中要求添加宏文件輸入?yún)?shù)的接口，并添加宏文件調(diào)用代碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)APDL程序的界面封裝。

（5）宏文件執(zhí)行結(jié)果通過UIDL語言及TCL/TK語言提取并輸出顯示至對(duì)話框中。

通過混合編程，可充分發(fā)揮各語言優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)定制用戶界面與ANSYS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的交互訪問，擴(kuò)充ANSYS原有功能，提高有限元仿真的效率。

2.2 仿真模型建立

考慮制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)及載荷的對(duì)稱性，為降低計(jì)算規(guī)模，采用三維造型軟件建立盤體1/4模型。導(dǎo)入ANSYS后，設(shè)置盤體材料屬性，并定義SOLID98單元類型，對(duì)盤體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。同時(shí)，在盤體三維模型的對(duì)稱分割面處施加對(duì)稱約束。

車輛制動(dòng)時(shí)，夾鉗動(dòng)作帶動(dòng)閘片夾緊制動(dòng)盤，制動(dòng)盤與閘片之間摩擦產(chǎn)生熱能。產(chǎn)生的熱能大部分由制動(dòng)盤盤體吸收，熱機(jī)械耦合仿真時(shí)，在閘片與制動(dòng)盤摩擦面貼合區(qū)域施加熱流密度載荷。同時(shí)，制動(dòng)盤吸收的熱能在車輛運(yùn)行過程又通過熱對(duì)流及熱輻射的方式傳遞到空氣中；考慮相對(duì)于對(duì)流換熱，通過輻射釋放的熱量較小，忽略輻射散熱。實(shí)際仿真時(shí)，在盤體散熱筋及盤環(huán)非摩擦面上施加對(duì)流換熱系數(shù)模擬散熱［5］。

2.3 制動(dòng)工況定義

開發(fā)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車輛1次制動(dòng)、2次連續(xù)制動(dòng)、3次連續(xù)制動(dòng)及線路運(yùn)行等不同類型工況的模擬，因此，需要針對(duì)不同工況編寫不同的載荷計(jì)算程序。這里僅以3次連續(xù)制動(dòng)為例進(jìn)行介紹。1次制動(dòng)及2次連續(xù)制動(dòng)工況與之類似，線路運(yùn)行工況的載荷施加方法筆者在文獻(xiàn)［6］中進(jìn)行了介紹。圖3所示為3次連續(xù)制動(dòng)過程速度隨時(shí)間的變化曲線及對(duì)應(yīng)的熱流密度及對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線。

根據(jù)載荷曲線，將載荷曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的載荷值及時(shí)刻值輸入TABLE類型數(shù)組，即為加載所需的載荷TABLE表，其定義流程如圖4所示。

2.4 關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

（1）三維幾何模型導(dǎo)入

（2）載荷TABLE表定義

（3）載荷施加面定義及載荷施加

（4）制動(dòng)盤溫度顯示及最大溫度值提取

（5）制動(dòng)盤節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線

2.5 菜單系統(tǒng)及對(duì)話框開發(fā)

根據(jù)之前設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及具體的功能模塊組織管理編程得到APDL程序，生成各功能宏文件。采用UIDL語言及TCL/TK語言定制菜單及對(duì)話框系統(tǒng)，并在對(duì)話框中添加與宏文件的調(diào)用接口，完成系統(tǒng)界面開發(fā)。系統(tǒng)相關(guān)菜單及功能對(duì)話框如圖5所示。

3 仿真實(shí)例

以某城市地鐵車輛在AW3載荷狀態(tài)、平直道條件下連續(xù)3次純空氣緊急制動(dòng)為例，并假設(shè)車輛加速及制動(dòng)過程為勻加速及勻減速過程。其車輛及制動(dòng)參數(shù)如表1所示，線路運(yùn)行工況參數(shù)如表2所示。

仿真結(jié)束后得到的盤體上若干節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線如圖6所示。

從圖中可以看出：制動(dòng)開始后，盤體溫度逐漸上升；制動(dòng)結(jié)束、立即起動(dòng)加速后，盤體溫度逐漸減低；加速到最大速度時(shí)，盤體對(duì)流損失的熱能低于上次制動(dòng)過程產(chǎn)生的熱能，盤體存儲(chǔ)的熱能進(jìn)一步增加，盤體溫度逐漸升高。圖7為制動(dòng)過程盤體溫度最高時(shí)刻的溫度云圖。散熱筋溫度低于摩擦面溫度，摩擦面溫度分布根據(jù)背部散熱筋分布情況而不同。3次連續(xù)制動(dòng)過程盤面最高溫度為170.895℃，滿足制動(dòng)盤材料溫度要求。

圖8、圖9分別為盤體上若干節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力歷程曲線及盤體應(yīng)力最大時(shí)的應(yīng)力狀況。

可以看出，盤體應(yīng)力在制動(dòng)過程迅速上升，在加速過程由于快速對(duì)流，盤體溫度降低，制動(dòng)盤整體處于較低應(yīng)力水平。盤體應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在摩擦面及散熱筋過渡處，最大應(yīng)力為74.134 MPa，滿足盤體材料強(qiáng)度要求。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)采用UIDL、TCL/TK及APDL語言進(jìn)行ANSYS二次開發(fā)的方法進(jìn)行了探討，給出了UIDL、TCL/TK與APDL混合編程的實(shí)現(xiàn)方法。

（2）針對(duì)不同工況，討論了制動(dòng)盤熱機(jī)械耦合仿真的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)方法，并給出了若干關(guān)鍵過程的實(shí)現(xiàn)代碼。

（3）開發(fā)了集成于ANSYS軟件環(huán)境下的制動(dòng)盤熱機(jī)械耦合仿真集成系統(tǒng)，有效提高了制動(dòng)盤設(shè)計(jì)工作的效率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 夏毅敏，薛 靜，姚萍屏，暨智勇.高速動(dòng)車組制動(dòng)盤瞬態(tài)溫度與應(yīng)力計(jì)算［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，41（4）：1334-1339.

［2］ 黃健萌，高誠輝，唐旭晨，林謝昭.盤式制動(dòng)器熱結(jié)構(gòu)耦合的數(shù)值建模與分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（2）：145-151.

［3］ Ali Belhocine，Mostefa Bouchetara.Thermal analysis of a solid brake disc［J］.Applied Thermal Engineering，2012，（32）：59-67.

［4］ Erica A.Abbott，Murray L.Scott.The case for multidisciplinary design approaches for smart fibre composite structures［J］.Composite Structures，2002，58（3）：349-362.

［5］ 闕紅波，錢坤才，金文偉.高速列車制動(dòng)盤溫度及熱應(yīng)力仿真分析［J］.機(jī)車車輛工藝，2009，（04）：9-11.

［6］ 方明剛，郭立賓，黃 彪，金文偉，廉 超.制動(dòng)盤線路運(yùn)行工況熱機(jī)械耦合模擬研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2013，33（5）：59-62.

Development of Thermal Mechanical Coupling Simulation System for Brake Disc

FANG Minggang，DU Liqing，GUO Libin，JIN Wenwei，HUANG Biao
（CSR Qishuyan Institute Co.，Ltd.，Changzhou 213011 Jiangsu，China）

The parametric simulation process was implemented through the APDL（ANSYS parametric design language）programming，which can realize the thermal mechanical coupling simulation of brake disc under different conditions.Accordingly，a simulation integrated system embedded into ANSYS was developed whose user interface was implemented through the UIDL（user interface development language）and TCL/TK language programming.The presented approaches can serve as rational guidance and proofs for the thermal mechanical coupling simulation of brake discs or other brake assembles，and the developed embedded simulation integrated system is of certain practical value.

brake disc；thermal mechanical coupling；parametric；system development

U270.351

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.17

1008－7842（2014）06－0069－05

6—）男，工程師（

2014－04－11）