王延忠,于祥云,竇德龍,張 震

(北京航空航天大學機械工程與自動化學院,北京 100191)

1 引言

通風盤式制動器因其制動穩(wěn)定性、可控性、可提供較大范圍的制動力矩而被廣泛應用。而多片式摩擦副的機構主要有制動器、離合器等,具有功率密度高、散熱效果好,傳遞扭矩大,接合平穩(wěn)等優(yōu)點廣泛應用于車輛、船舶、航空等各個工程領域。摩擦部件由分離盤和摩擦盤組成,沿轉(zhuǎn)軸交替排列,在接合和分離過程中,分離盤在液壓活塞的作用下與摩擦盤接觸并滑動,在其接觸面上必然產(chǎn)生摩擦熱[1,2]。

ABAQUS有限元分析軟件具有強大的建模能力以及強大的非線性計算能力,且其自帶的前后處理器為用戶提供了廣泛的功能,但如自動重復化建模,參數(shù)化分析研究,訪問結果數(shù)據(jù)庫等功能還需要通過二次開發(fā)或使用其它軟件才能更好地實現(xiàn)[3-5]。

學者們針對有限元分析軟件二次開發(fā)進行了大量研究。華中科技大學郁榮等[6]用Python 語言開發(fā)蜂窩單胞結構自動建模的程序,大大減輕變參數(shù)系列分析過程中的工作量。西南交通大學陳飛等[7]使用Python 語言對Abaqus軟件的前、后處理模塊進行二次開發(fā),為快速預測不同噴丸參數(shù)下弓形件噴丸強化的變形提供參考。于金[8]等通過對ABAQUS二次開發(fā)獲得延伸機匣由讓刀引起的加工變形數(shù)據(jù),對此類零件的工裝設計提供了理論指導。內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室劉宏杰等[9]通過對ABAQUS二次開發(fā)得到了螺栓實際滑移量計算方法,提高了螺栓連接的可靠性。Jian Wu等[10]詳細描述了CFRP-CFST的參數(shù)化建模過程,并用實驗數(shù)據(jù)驗證了腳本語言建模的準確性和有效性。另外,許多學者圍繞多盤制動器的熱結構耦合展開研究,對具體制動器結構緊急制動過程進行數(shù)值仿真[11,12]。然而,鮮見基于ABAQUS二次開發(fā)的多片式摩擦副熱結構耦合仿真應用研究。

本文在對ABAQUS進行二次開發(fā)提高仿真效率的基礎上,利用典型多片式摩擦副結構——無返回裝置作為仿真實例,對比分析不同摩擦副對數(shù),不同尺寸參數(shù)在摩擦過程的熱力響應情況進行分析,得出在一定尺寸空間、一定制動壓力的情況下最高效的多片式制動結構。

2 多片式摩擦副結構

對多片式摩擦副的分析將以民機艙門作動系統(tǒng)中的無返回機構為例,貨艙門開啟機構包括電機、減速器、無返回機構、旋轉(zhuǎn)作動器、連桿機構,而無返回機構作為緊急制動、艙門把持和艙門關閉過程中的制動裝置,在作動過程中具有重要意義。

無返回裝置內(nèi)部結構如圖1所示,輸入軸通過球窩副與小連接軸相連,小連接軸通過花鍵與動摩擦片、大連接軸固連,而輸出軸通過球窩副與大連接軸相連,最后,靜摩擦片、擋板與殼體固連,各部件運動狀態(tài)為動摩擦片與小連接軸通過花鍵連接,可沿軸向上移動,有軸向移動與沿軸線旋轉(zhuǎn)兩個自由度;靜摩擦片用花鍵與殼體相連,可沿殼體軸向移動,但靜摩擦片不可轉(zhuǎn)動,只有一個軸向移動自由度;擋板為完全固定。

圖1 無返回裝置結構示意圖

具體的制動過程如下:開啟艙門后把持艙門以及關閉艙門時艙門在重力作用下帶動輸出軸轉(zhuǎn)動,輸出軸與大連接軸相連,而大連接軸通過輸出側(cè)球窩副轉(zhuǎn)化的壓緊力壓緊摩擦副,同時帶動小連接軸、動摩擦片轉(zhuǎn)動,從而產(chǎn)生摩擦力矩以達到制動效果。

3 多片式摩擦副參數(shù)化建模二次開發(fā)

3.1 ABAQUS內(nèi)核腳本程序及GUI插件程序

ABAQUS軟件為用戶提供了專門的二次開發(fā)接口,包括用戶子程序(User Subroutine)和ABAQUS腳本接口(Abaqus Scripting Interface,使用Python語言編寫)。

ABAQUS/CAE內(nèi)核腳本程序基于Python語言實現(xiàn),擴展了約500個對象。內(nèi)核腳本程序?qū)嵸|(zhì)上就是對ABAQUS中對象進行操作,實現(xiàn)各自功能。用戶可以使用ABAQUS的GUI工具包中命令或者借助RSG(Really Simple GUI)對話框構造器開發(fā)GUI插件程序。GUI插件程序可以在指定模塊中執(zhí)行函數(shù),通過定制的圖形用戶界面輸入?yún)?shù),實現(xiàn)前后處理中復雜的操作過程。ABAQUS /CAE中GUI和內(nèi)核之間的交互如圖2所示[13]。

圖2 內(nèi)核與GUI的交互過程

3.2 參數(shù)化輸入界面

二次開發(fā)主要可以實現(xiàn)ABAQUS仿真軟件對摩擦副的快速建模過程,界面主要分為三個模塊,若干參數(shù)可以進行預先設定,通過RSG對話框構造器開發(fā)GUI插件程序。

第一模塊為工況參數(shù)設置模塊,如圖3所示。包含設定摩擦片對數(shù)(多片摩擦副中動、靜摩擦片對數(shù)),仿真分析步時間(加壓時間和制動時間),壓力大小(大連接軸傳遞壓力轉(zhuǎn)換為作用于最外側(cè)靜摩擦片的面壓),旋轉(zhuǎn)速度(動摩擦片的旋轉(zhuǎn)速度),網(wǎng)格劃分(動靜摩擦片網(wǎng)格疏密)。

圖3 工況參數(shù)設置界面

第二模塊為建模尺寸模塊,如圖4所示。包含制動器的擋板、動摩擦片以及靜摩擦片尺寸參數(shù),實現(xiàn)精確建模,為后續(xù)的結構分析與自動化建模奠定基礎。

圖4 尺寸參數(shù)設置界面

第三模塊材料參數(shù)模塊,如圖5所示?？梢葬槍Σ牧蠈傩赃M行個性化定制,所提供的材料參數(shù)接口包括動、靜摩擦片的材料密度、彈性模量、泊松比、熱傳導系數(shù)、熱膨脹、比熱等相關參數(shù)。

圖5 材料參數(shù)設置界面

3.3 編程思路及主程序代碼

程序總體設計思路如圖6所示。

圖6 程序總體設計思路

根據(jù)多片式摩擦副的結構特點,用參考點RP1點與動摩擦片內(nèi)徑面耦合設置旋轉(zhuǎn)速度模擬小連接軸的轉(zhuǎn)動過程;用參考點RP2點與靜摩擦片內(nèi)徑面耦合限制其它方向自由度;擋板設置為完全固定。摩擦片的接觸面參數(shù)設置和動、靜摩擦片一致,通過對最外側(cè)靜摩擦片施加壓強模擬大連接軸通過球窩副所傳遞的壓力,設置RP3點為附加轉(zhuǎn)動慣量點,用以與動摩擦片內(nèi)徑面耦合模擬其它運動結構在小連接軸處的等效轉(zhuǎn)動慣量,兩對摩擦片的裝配結構如圖7所示。

圖7 兩對摩擦片ABAQUS裝配圖

由程序總體設計思路以及多片式摩擦副結構特點建立的參數(shù)化建模程序主要腳本語句如下:

# 引入所需模塊,與GUI設定的變量建立連接

fromabaqus import *

defjianmo(NUM,step1,step2,pressure,……

# 建擋板模型,利用ABAQUS自帶建模工具進行二維圖的構建,對相應尺寸進行參數(shù)化

s1=mdb.models[′Model-1′].ConstrainedSketch(name=′profile′,……

# 定義材料參數(shù)

mdb.models[′Model-1′].materials[′Gang′].Density(table=((density1,),))……

# 建n對動摩擦片模型,利用草圖進行二維圖紙的構建、尺寸參數(shù)化同上,n對靜摩擦片同理

fori in range(1,NUM):

# 分別對動、靜摩擦片進行材料賦予

p.SectionAssignment(region=region, sectionName=′Gang′, offset=0.0,……

# 實例化n對摩擦片

a.Instance(name=′Dong′+str(i), part=p,……

# 建立兩個分析步,設置溫度場輸出,設置接觸條件,指定表面并設置膜層散熱系數(shù),熱輻射

mdb.models[′Model-1′].TempDisplacementDynamicsStep(name=′Step-1′,……

#建立兩個耦合參考點并指定動、靜摩擦片相應的內(nèi)圈表面進行耦合

mdb.models[′Model-1′].Coupling(name=′Constraint-1′, controlPoint=region11,……

#設置幅值,施加壓強,固定耦合點、設置旋轉(zhuǎn)角度,固定擋板,選定相應表面施加預定義溫度場

mdb.models[′Model-1′].TabularAmplitude(name=′Amp-1′, timeSpan=STEP,……

#劃分網(wǎng)格

p.setElementType(regions=pickedRegions, elemTypes=(elemType1, elemType2, elemType3))……

#提交任務

mdb.Job(name=′Job-′+str(int(NUM-1))+′CP′,model=′Model-1′,……

4 仿真算例對比分析

4.1 參數(shù)及工況的選擇

模型尺寸可見自動化建模界面圖3-圖5,為簡化模型去除花鍵卡槽和動摩擦片盤面上的溝槽,并為整體結構劃分網(wǎng)格,整個模型采用mm-N-s-T單位制。

靜摩擦片基片采用65Mn,摩擦材料為銅基粉末合金,動摩擦片和其余材料采用45號鋼。采用兩個分析步:step1:在0.001s內(nèi)完成加壓;step2:剩余0.002s內(nèi)為自由制動過程。在初始分析步Initial給定預定義環(huán)境溫度以及預定義初始速度觀察加壓后制動過程中的壓力變化和溫度變化。

根據(jù)工作原理定義各部件邊界條件,在動摩擦片耦合點RP1上給定13.78rad/s的初速度,由球窩結構壓緊力轉(zhuǎn)換為施加在端面上的壓強p=535875Pa;定義環(huán)境溫度20度,添加表面熱交換系數(shù)。網(wǎng)格類型為6面體C3D8RT,為使其更好地收斂,動摩擦片網(wǎng)格相比于靜摩擦片網(wǎng)格適當密集一些。

4.2 仿真結果

為區(qū)分不同摩擦片表面方便說明,統(tǒng)一將摩擦片對數(shù)編號在最前,一對為1DONG;靠近擋板處的動摩擦片編號為DONG1摩擦片,依次向后編號,且每個摩擦片靠近擋板側(cè)的表面為1表面,另一側(cè)表面為2表面。(如2DONG11,表示兩對摩擦副的結構下,最靠近擋板處的動摩擦片,其與擋板接觸的表面的云圖分布情況。)

艙門關閉過程為短暫的旋轉(zhuǎn)、制動間歇性過程,本算例針對關門過程中制動環(huán)節(jié)/緊急制動過程進行分析,并對不同位置的動摩擦片和不同摩擦片對數(shù)的動摩擦片仿真結果進行對比。

4.2.1 壓力分布仿真結果

圖8-圖11為不同摩擦片對數(shù)的情況下,各動摩擦片部分表面的壓力分布云圖,在動態(tài)情況下,不同摩擦片數(shù)的動態(tài)接觸壓力狀態(tài)具有相似的特征,其分布大致呈現(xiàn)為摩擦片靠近內(nèi)徑處接觸壓力大,外徑處接觸壓力小的規(guī)律,但摩擦片上的壓力并不均勻,在制動過程中摩擦副的接觸壓力出現(xiàn)集中現(xiàn)象,隨著摩擦副數(shù)的增多,集中接觸壓力的最大值呈現(xiàn)遞增的情況,對于同種工況下的不同動摩擦片而言,均出現(xiàn)不同程度的壓力集中,但以最靠近擋板的DONG12面最為顯著。此外,由壓力分布圖分析得知,一對摩擦片的接觸壓力要比更多對數(shù)的均勻,呈現(xiàn)出隨著摩擦副數(shù)的增多,整體分布均勻性遞減,集中壓力峰值越大的情況(此處的均勻指的是壓力的梯度變化情況)。

圖8 一對摩擦片壓力分布圖

圖9 兩對摩擦片壓力分布圖

圖10 三對摩擦片壓力分布圖

圖11 四對摩擦片壓力分布圖

4.2.2 溫度分布及角速度變化仿真結果

圖12為摩擦片對數(shù)為3時不同動摩擦片兩個表面的溫度分布云圖,其余對數(shù)的仿真結果分布規(guī)律與圖12類似,最高溫度匯總?cè)绫?所示。

表1 不同摩擦片對數(shù)的最高溫度

圖12 三對摩擦片溫度分布圖

整體來看,溫度分布云圖與接觸壓力分布情況類似,呈現(xiàn)出摩擦片靠近內(nèi)徑處溫度較大的分布。沿表面徑向典型結點進行采樣后,從摩擦副的對數(shù)、距離施壓靜摩擦片側(cè)的遠近和摩擦片兩側(cè)不同的表面進行分析,隨著摩擦副的增多,整體溫度呈下降趨勢,對于同種工況,靠近擋板的DONG12面溫度分布不均,與壓力分布圖形成對應,且為容易出現(xiàn)溫度極值的表面,與擋板和最外側(cè)靜摩擦片直接接觸的兩表面DONG11、DONG*2溫度分布均沒有明顯的集中現(xiàn)象,溫升平緩均勻。

從圖13可以得知,對于整個制動過程而言,在給定仿真工況下從13.78rad/s的初速度到制動停止的時間可以從圖中記錄為:一對摩擦片,2.5E-3s;兩對摩擦片,1.5 E-3s;三對摩擦片,1.25E-3s;四對摩擦片,1.2E-3s

圖13 不同摩擦片數(shù)角速度變化

5 結論與展望

通過對商用有限元軟件ABAQUS的二次開發(fā)對多片式摩擦副進行熱力耦合分析,可以較為真實地模擬制動過程中的壓力、溫度變化情況及旋轉(zhuǎn)部件角速度變化過程。仿真結果表明:

1)多片式摩擦結構隨著摩擦副數(shù)的增多,接觸壓力、接觸面積和傳遞過程的復雜性也成倍的增加,所以對于接觸壓力分布而言也越來越不均勻,且以靠近擋板的動摩擦片DONG12面眼里集中情況最為顯著。

2)多片式摩擦結構隨著摩擦副數(shù)的增多,制動力增大,制動時間隨之逐漸減少,最大溫升也會降低。同種工況下不同摩擦片數(shù)的制動時間為:一對摩擦片,2.5E-3s;兩對摩擦片,1.5 E-3s;三對摩擦片,1.25E-3s;四對摩擦片,1.2E-3s。

3)靠近擋板的DONG12面溫度分布不均,與壓力分布圖形成對應,但整體上看動摩擦片從DONG1至DONG3的溫度分布逐漸均勻,且與擋板和最外側(cè)靜摩擦片直接接觸的兩表面DONG11、DONG*2溫度分布均沒有明顯的集中現(xiàn)象,溫升平緩均勻。

綜上所述,摩擦副數(shù)的增多會直接導致軸向尺寸的增大,且動態(tài)接觸應力的集中現(xiàn)象明顯,不利于制動過程的穩(wěn)定運行,另一方面制動時間減少到一定程度之后,摩擦副的增加并不會對制動時間再有顯著影響,將以制動力的壓緊時間為主要影響因素,取決于壓緊力的壓緊過程。設計多片式摩擦片對數(shù)時在充分考慮空間限制外,還應該在制動溫升、制動時間以及制動穩(wěn)定性上進行分析,本案例無返回裝置可以在三對副摩擦片結構時滿足飛機艙門的尺寸限制要求,且達到較高的制動性能,同時參數(shù)化建模程序為多片式摩擦副的模擬分析提供快速、有效的支持。