Пример за дискова спирачка 1

От ESOCAETWIKIPLUS

Този пример показва симулация на дискова спирачка.

Конструкцията се състои от вътрешно вентилиран автомобилен прозорец, изработен от метал.

Целта на симулацията е да се изчисли преходното, зависимо от времето разпределение на температурата в спирачния диск по време на спиране.

Симулацията трябва да се извършва с възможно най-малко изчислителни усилия (изчислително време, изисквания за памет), за да се улеснят грубите изчисления и изследването на вариантите.

Съдържание

строителство

Дисковата спирачка на автомобила има външен диаметър от 340 мм.

Дискът е вентилиран вътрешно, което означава, че подложките притискат два диска от двете страни, които са подпрени един срещу друг с ребра. Районът на ребрата дава голяма повърхност на околния въздух, така че да има добро охлаждане и топлината от материалната повърхност да може да тече добре в околния въздух.

Стойностите на материала за стоманата на спирачния диск са тук:

Топлопроводимост λ = KXX = 40 [W/(m K)]
специфичен топлинен капацитет cp = C = 500 [J/(kg K)]
Плътност ρ = DENS = 7800 [kg/m 3]

При спиране превозното средство с маса 2000 [kg] трябва да бъде спирано от скорост 250 [km/h] до спиране с постоянно забавяне за 10 [s]. При еднакво натоварване на четирите диска на колелата на превозното средство, това води до работа от W = 1.204e6 [Ws] на диск или мощност от 120.4 [kW] по време на процеса на спиране.

идеализация

модел

Аксисиметрията се използва за получаване на симулационен модел, който води до възможно най-малко усилия за решение. На илюстрацията вдясно този модел е нарисуван в скицата на спирачния диск. Линията на пунктирната точка е оста на въртене на спирачния диск. Напречното сечение, начертано в цвят в очертанията на спирачния диск, е напречното сечение, което е резултат от въображаемо изрязване при ъглово положение на обиколката. Цветът на твърдия метал (тюркоаз) и областта на ребрата (лилаво) на диска се разграничават.

Осесиметрията предполага, че геометрията е еднаква за всички радиални сечения през модела, т.е.независи от ъгловото положение около оста. Моделът се показва като радиален разрез в равнината, който е обхванат от радиалната (отвътре навън) и аксиалната (по оста) посока. Следователно периферната посока е в основата си нормална спрямо равнината на модела (перпендикулярна на нея). При това осесиметрично моделиране натоварванията също трябва да са независими от ъгловото положение около оста, т.е. те трябва да бъдат еднакви по обиколката. (Във всеки случай това е "нормалният случай". В специални случаи може да се използва осесиметрично моделиране и за натоварвания, които са неравномерни по обиколката. Елементите, подходящи за това, са тези с "подходи на хармонично натоварване". Тази особеност не се обсъжда допълнително тук. )

Данни за материала

Другата фигура вдясно показва напречното сечение с размери (в [m]). Оста x е насочена в радиалната посока, оста y по оста на колелото.

Областта на ребрата изисква специално внимание, тъй като всъщност тук няма аксиална симетрия. Ако някой си представя рязания в различни ъглови позиции през спирачния диск, тогава понякога се режат ребра, а понякога пространства (пролуки) между ребрата. В този пример като основа се използва „размазано“ разпределение. За областта на ребрата едното ребро не се разглежда индивидуално, но се вземат предвид останалите свойства на материала в тази област.

На фигурата площта на материала 1 представлява стоманения материал, който е твърд и непрекъснато затворен по цялата обиколка на диска.

Площта на материала 2 представлява площта на вътрешните вентилационни ребра между външните повърхности на стъклата. Делът на площта на ребрата е приблизително 1/5 = 0,2. Този фактор намалява топлопроводимостта в аксиална (KYY) посока. Топлопроводимостта в радиалната посока (KXX) и в периферната посока (KZZ) е зададена на стойност, близка до нула. Това показва, че ребрата са удължени и тънки и свързват двата диска само в аксиална посока. Не се провежда топлопроводимост напречно на ребрата, тоест не радиално навън от едното ребро до другото, а също и не съответно в периферната посока. За да регулирате топлинния капацитет, плътността (DENS) остава непроменена и специфичният топлинен капацитет (C) се намалява.

Гранични условия, товари

Конвекцията към околния въздух е показана на всички външни повърхности на модела. Специална особеност тук е, че повърхностите, които са вентилирани вътре, също имат конвекция към околната среда. Така че, така да се каже, въздействието върху околната среда трябва да бъде картографирано в нашия модел на МКЕ. Защо „вътре в модела“? Знаем, че площта на материала 2 представлява ребрата, но за модела на FEM тази площ на напречното сечение е повърхност като твърдия материал, само с малко по-различни стойности на материала. По-висока стойност на топлопреминаване се използва като основа за конвективното разсейване на топлината към околния въздух във вътрешността на областта на ребрата. Това е резултат от въздушния поток, който възниква между ребрата. Радиалното разположение на ребрата създава ефект на вентилатор, така че увеличен поток през вътрешната зона от главината се получава радиално навън.

Друга особеност е ръбът на модела, върху който действат спирачните накладки. Тук - както и на другите външни ръбове - конвективната топлина трябва да се отделя на околния въздух. Но когато спирачните накладки са в контакт, входната мощност също трябва да се картографира за част от обиколката чрез повърхностно натоварване с плътност на топлинния поток.

Покритията действат върху областта на диска между радиусите r = 110 [mm] и r = 160 [mm]. В тази зона се въвежда топлинната мощност. Във времевия интервал на спирачния процес се приема, че вложената мощност е постоянна. За по-голяма простота, конвективното отделяне на топлина в околната среда също се приема за постоянно с течение на времето. Пренебрегва се, че стойността на топлопреминаване трябва да се намали съответно с намаляваща скорост.

Дискретизация

При дискретизацията са използвани плоски елементи. Разделението на елементите може да се види на 2-ра фигура по-горе. За този основен пример е сравнително грубо. Следователно изчислителното усилие е много, много малко и може да се очаква в рамките на секунди.

решение

Решението се извършва като преходна симулация на температурното поле.

В този случай оценката първоначално се извършва в интервала от време 0

Две разпределения на температурата са показани на фигурата вдясно.

Лявото частично изображение показва разпределението на температурата в края на спирачния процес - т.е. времето, в което превозното средство току-що е спряло. Максималната температура е Tmax = 570 ° C. Температурите се повишават локално в зоната на триене. Вътрешността на стъклото е все още относително студена.

Дясната част показва резултатите в края на изчисления застой при t = 100 [s]. В този интервал от време има по същество охлаждане на спирачния диск и изравняване на температурните разлики в материала. Максималната температура след 100 [s] е Tend = 184 ° C. В сравнение с разпределението непосредствено след спиране, можете да видите, че температурите в зоната на триене до голяма степен се изравняват. Все още има спад на температурата към главината.

рейтинг

С тези разпределения конструкторът на спирачки може да прецени дали дискът работи в допустимия диапазон или прегрява.

геометрията в областта на ребрата: данните за материала са променени тук,
конвективното разсейване на топлината в областта на ребрата: тук граничните условия са приложени вътре в модела,
от външната страна на стъклата конвективното разсейване на топлината и подаването на топлина чрез триенето на облицовката: тук влиянието на въртенето на диска върху временната последователност на тези влияния е пренебрегнато.

Последователността на натоварването на интервалите може да бъде адаптирана към тестови маршрути или въз основа на много специфични цикли на шофиране.

В сравнение с този основен пример, много други подробности могат да бъдат взети предвид при симулацията, като например.

Геометрия и строителни детайли,
Зависимости на материалните данни от температурата (това прави симулацията нелинейна,
Зависимости на натоварванията (конвекция, влагане на топлина чрез триене) от температурата и текущата скорост.

Структурна механика

В допълнение към тази симулация на температурното поле може да се извърши изчисление на максималната деформация на термичното стъкло ("екранирането на стъклото"). Тези механични деформации поради неравномерното разпределение на температурата в диска са важни за конструкцията на спирачната система. Те могат да бъдат определени със структурно механично изчисление. След това това механично изчисление може да се извърши след изчислението на температурното поле (изчислените местни температури се прехвърлят) или да се съчетае с изчислението на температурното поле.