刹车过程的热力耦合分析实例
摘要：机动车的刹车盘在刹车过程中由于刹车片和刹车盘的摩擦会产生大量的热，生成的热会对刹车片的材料性能和刹车性能产生很大的影响，本例以此为例来分析刹车过程中的热应力，为刹车盘的改进设计以及事故的预防提供技术依据。

关键词：耦合热应力
1 实例说明
刹车盘的材料为钢，外径为135mm，内径为90mm，厚度为6mm；刹车盘基座上的圆环外径为135mm，内径为100mm，厚度为2mm，材料同样的为钢，如图1.1所示；刹车片为树脂加强的复合材料，可以用来提高摩擦系数和材料性能随着温度变化，如表1.1和表1.2所示。

图1.1 刹车盘
表1.1
温度（℃）20 100 200 300 400
摩擦系数0.37 0.38 0.41 0.39 0.24
表1.2 温度对材料性能的影响
温度（℃）20 100 200 300
弹性模量（N/m2） 2.2e9 1.3e9 5.3e8 3.2e8
热膨胀系数（K-1）1e-5 3e-5
2 建立模型
根据要求的数据，利用ABAQUS分别建立刹车盘和刹车片两个模型，如图2.1和2.2所示。

图2.1 刹车盘图2.2 刹车片并通过利用其abssembly的装配功能，将上面两的部件装配成如图2.3所示的刹车系统。

图2.3 刹车系统
3 设定分析步
考虑到刹车盘和刹车片之间的摩擦生热现象以及热传导过程，并且分析由于热产生的应力，在分析过程中刹车盘和刹车片存在着接触摩擦关系，所以定义两个分析步：
在第一个分析步中对刹车片施加压力，使刹车片和刹车盘建立稳定的接触关系；
在第二个分析步中使刹车盘旋转60度，来分析刹车过程。

4 分析结果
在结果中可以选择不同的输出变量，因而得出不同的结果。

如图4.1为节点温度。

图4.1 节点温度
为了便于观察刹车盘和刹车片接触区的分析，我们可以把刹车片隐去。

如图4.2所示。

图4.2 节点温度
在输出变量中选择变量cshear1，则可以得到摩擦剪应力的分布。

如图4.3所示。

图4.3 摩擦剪应力分布
选择变量CPRESS，则可以得到接触应力的分布，如图4.4所示。

图4.4 接触压力分布
选择变量S，可以显示出热应力的分布，如图4.5所示。

图4.5 热应力分布
5 结论
从分析的结果可以看到，在刹车的过程中，刹车片和刹车盘之间存在很大的接触压力，由于摩擦生热又会导致刹车片和刹车盘之间产生热量，从而进一步产生了很大的热应力。