制动盘材料选型仿真对比分析(2)

　　2.3对流换热系数Hf[3]对流换热系数与导热系数不同，它与材料无关，而取决于流体流动状态、流体物理性质、壁面温度以及壁面的几何形状。根据平面散热问题的传热学理论得H■=0.664■■p■■■

　　式中，pr为普朗特数；λα为空气导热系数，（W/（m·K））；L为壁面长度，（m）；u■为空气流动速度，（m/s）；v为空气得运动粘度，（m2/s）；忽略制动盘温度周围温度变化的影响，则v、pr、λ为定值，Hf只与u∞和L有关。

　　3仿真分析

　　依据有关高速动车组制动技术参数，设计仿真计算轴重15t，制动初速度为300km/h，制动盘初始温度为20℃，进行边界条件以及热载荷的计算，并以此进行1#和2#两种不同材料制动盘在温度场、热应变及应力场等有限元仿真计算，并进行比较分析。

　　3.1温度场仿真分析根据所给已知条件对两种不同材料制动盘在同等条件下进行温度场的仿真分析，图5为制动盘各部位节点温度随时间变化曲线，图6为最高温度时刻制动盘温度云图，图中（a）表示1#材料制动盘，（b）表示2#材料制动盘，下同。从图中分析可以得知：两种材料的最高温度均出现在摩擦面上，最高温度均出现在约制动后80s，1#材料制动盘最高温度约645℃，2#材料制动盘最高温度较低，约529℃；摩擦面温度变化趋势为先升后降，盘体背面温度由于热传导作用升温趋势要缓于摩擦面。从仿真结果可以看出，2#材料制动盘在制动温升方面明显优于1#材料制动盘。

　　3.2应力场仿真分析通过温度场分析模型转化为结构分析模型，导入材料的非线性特性参数，给有限元模型加以对称边界和位移约束，同时步步加载所分析得到的各时段温度数值，进行制动盘热应力的求解计算。图7所示为两种材料在相同条件下不同位置热应力有限元仿真结果。从应力分析曲线可以看出，两种材料制动盘摩擦面应力均要高于其他部位，1#材料制动盘最高应力410MPa，2#材料制动盘最高应力215MPa，明显小于1#材料材料，这也预示着在相同疲劳强度基础下1#材料比2#材料更易出现裂纹，所以2#材料制动盘的抗热裂纹性能明显高。

　　4结论

　　本文主要设计了一种高速动车组制动盘的结构，并通过制动盘温度场、热应力场仿真分析对1#材料和2#材料两种材料制动盘进行了材料选型工作，经过分析得出结论：2#材料制动盘的最高温度、最大应力均小于1#材料制动盘，具有更高的热容量，符合高速动车组对制动盘的性能和高热容量的要求，是理想的制动盘材料，可以进行进一步的试制和试验验证工作，同时，为高速动车组制动盘的材料国产化提供了依据。

　　参考文献：

　　[1]曹玉璋，邱绪光.实验传热学[M].北京.国防工业出版社，1996.

　　[2]丁群.提速客车制动盘温度场及应力场的有限元分析[D].北方交通大学硕士论文，2001.

　　[3]陈德玲，张建武，周平.高速轮轨列车制动盘热应力有限元研究[J].铁道学报，2006（2）.

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