武靜

摘 要：本文希望通過COSMOSXpress分析軟件對盤式制動器前鉗總成進行強度分析，建立一套前鉗總成在制動過程中的有限元分析模型，并將此方法運用到實際的產(chǎn)品設計過程中，從而大大減低的了設計成本，加快研制周期。

關鍵詞：有限元分析；前鉗總成；強度分析

1. 概述

COSMOSXpress有限元分析功能使有限元技術貧民化，簡潔直觀，能夠在普通的PC機上進行工程分析，普通的工程師都可以進行工程分析，迅速得到分析結(jié)果。

2. 有限元分析過程

2.1三維數(shù)模的建立

利用CATIA、Solidworks、UG等三維設計軟件進行鉗體和支架的三維建模。待三維數(shù)模建好后，導入COSMOSXpress的有限元分析軟件中，為進行強度分析做好準備。

2.2邊界條件的確定

邊界條件：考慮汽車制動某一瞬時鉗體和支架的受力狀態(tài)為加載依據(jù)。

2.2.1鉗體邊界條件的確定

1）卡鉗內(nèi)部放置活塞，其孔四周及孔底面受到來自制動液的壓力，其壓力值大小與系統(tǒng)的最高管路壓力值相等。

2）外制動塊對其的推力。制動時在鉗體與外制動塊相接處的面上受到來自制動塊的反作用力，其壓力F=πPD2/4/A1…………（1-1）

式中：

P——最大制動管壓；

D——鉗體缸徑；

A1——為接觸面積（三維模型中測得）

3）與支架連接處受到來自支架的作用力。因鉗體要沿著導向銷方向與支架發(fā)生位移，因此鉗體與支架的兩個連接螺栓孔X、Y、Z三個方向上6個自由度有5個都需要被約束。

2.2.2支架邊界條件的確定

1）由于支架分別用螺栓固聯(lián)于鉗體和轉(zhuǎn)向節(jié)，固與他們連接的兩個螺栓孔XYZ三個方向上的6個自由度都需要被約束。

2）制動塊與制動盤之間的作用經(jīng)導向架傳至支架上的力。雖然摩擦塊各處受到來自制動盤的摩擦力大小和方向都是不變化的，但可將所有的摩擦力看作一個水平方向的摩擦合力，作用在制動塊與導向架的接觸面面積上。

雖然目前大多數(shù)的制動塊均不是扇形結(jié)構，但對結(jié)果基本沒什么影響，可將它近似看作扇形來分析。那么根據(jù)單側(cè)扇形制動塊給于制動盤的摩擦合力fN=fq（R22-R12）θ

式中：

q——摩擦塊與制動盤之間的單位面積上的壓力；

f——摩擦系數(shù)；

R1——摩擦塊的內(nèi)半徑；

R2——摩擦塊的外半徑；

θ——摩擦塊的圓心角；

又已知 ，則有：fN=πf PD2/8

2.3網(wǎng)格劃分

COSMOSXpress可根據(jù)零件情況自動劃分網(wǎng)格的形狀大小，也可由使用者根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)網(wǎng)格大小，單元格越小，劃分的就越精細，網(wǎng)格數(shù)就越多。一般情況下，采用系統(tǒng)默認的網(wǎng)格劃分，其結(jié)果和精度就可以滿足使用要求。

2.4分析結(jié)果

分別用應力分布、位移分布、變形形狀和設計檢查（最低安全系數(shù)）四個不同的參數(shù)變量對有限元分析結(jié)果進行評價。

3. 有限元分析在產(chǎn)品設計中的應用

3.1材料的選擇

鉗體、支架采用QT500-7材料，可以在COSMOSXpress中對其材質(zhì)進行自定義設置，彈性模量，173GPa；泊松比，0.3；屈服強度，551.5MPa；抗剪模量，77GPa；密度，7.9g/cm2。

3.2分析步驟

材料的選擇——約束設置——載荷設置——運行分析程序——查看分析結(jié)果，其中最關鍵是約束設置及載荷設置（即邊界條件）。

圖1 鉗體邊界條件 圖2 支架邊界條件

3.4.3網(wǎng)格劃分

采用COSMOSXpress默認的網(wǎng)格劃分形式，這里采用四面體單元格，單元大小為5.3502mm，公差為0.26751mm，將其劃分為24474個單元格，結(jié)點數(shù)為40088。

3.4.5分析結(jié)果

1）在圖3應力云圖中，顯示了鉗體各個部位的所受的應力情況，受應力較小的部位顏色較淺，用藍色表示；所受應力較大的部位超出屈服極限的用醒目的紅色表示。云圖中無紅色區(qū)域，因此強度滿足設計要求。缸體的最大應力為387Mpa，主要集中發(fā)生在鉗體的“鉗口”位置，由于拉伸和彎曲疊加的結(jié)果，因此在制動鉗背部一般都會有加強筋的設計，來保證制動鉗的結(jié)構強度。

圖3 缸體應力分布圖 圖4 支架應力分布圖

2）在應力分布圖4中，顯示了支架的最大應力為230MPa，應力主要集中在支架的弓背處和支撐銷銷孔處，因為此處的變形最大，容易與支撐銷發(fā)生摩擦，根據(jù)這一分析說明我們將支撐銷設計成帶有減震套的形式，以及銷與孔的配合間隙是導向銷的2倍的設計理論，是符合實際需要的。而云圖中無紅色區(qū)域，因此強度滿足設計要求。

4. 試驗驗證

我們前鉗總成進行的總成剛性試驗和所需液量試驗，予以驗證產(chǎn)品結(jié)構設計的合理性，結(jié)果表明，結(jié)構設計滿足性能要求。

5. 小結(jié)

利用三維設計軟件建立了參數(shù)化設計模型，為模擬裝配、有限元分析奠定了基礎。對于制動器產(chǎn)品設計人員在設計階段就能夠了解到零件每一點的應力，應變及位移，同時可以方便的對結(jié)構進行反復修改，已達到優(yōu)化設計的目的。提高產(chǎn)品的設計、制造效率，減低制造成本。■