风机主轴制动器摩擦副热-力耦合有限元分析

摘要

风电制动器是风力发电机上重要组成部件,主轴制动器关系着整个风机的正常运转和安全可靠。制动器的制动过程涉及到复杂的多物理场耦合问题,对制动器进行热-力耦合分析不仅能揭示制动过程的摩擦机理,而且能为发展国内自主工业制动器品牌提供技术基础。本文基于有限元软件ANSYS建立了某大型风电主轴制动器三维有限元模型,结合制动器热-力耦合理论,模拟研究制动器温度场和应力场,分析了制动器温度分布、温度梯度、机械应力、热应力、热变形等问题,并对制动器颤振噪声问题进行了模态分析。
　　主要研究工作如下
　　1.总结了国内外关于制动器热-力耦合分析的研究概况,介绍了热-力耦合分析的相关理论,包括摩擦生热理论、瞬态导热方程的建立、耦合方法等,并对振动理论进行了简介。
　　2.基于ANSYS软件建立了制动器摩擦副三维瞬态传热有限元模型,分析确定了相关参数和边界条件,考虑材料参数随温度变化规律,采用等位移循坏加载热流密度的方法,分别对正常工况和紧急工况下制动盘和摩擦片的温度场进行了模拟。结果表明,制动盘温度分布非均匀,高温主要集中于表面,摩擦区域温度呈现锯齿状波动,从而产生热冲击,制动盘表面摩擦区域各处最高温度大约出现于制动过程的3/5段;摩擦片温度无波动现象,温度相较制动盘高出很多,表面温度分布较均匀,表面温差约100℃,在其厚度方向上,温度存在滞后现象,两种工况下制动盘和摩擦片温度分布相似,紧急工况温度相对较高;对正常工况进行了台架试验,试验结果中温度最高值较模拟值低15℃左右,基本验证了数值模拟的正确性。
　　3.根据制动器完整模型建立三维有限元模型,选取紧急工况研究机械应力对制动器的影响,发现机械应力场关于中间截面对称分布,忽略模型的尖角应力集中和局部失真影响,制动器等效应力在30MPa以下,远小于材料的屈服极限;运用间接耦合法,将紧急工况温度场结果作为应力场体载荷进行求解,得到了热应力场结果,结果显示其与温度结果有相似之处,均为先急剧上升,而后缓慢下降,等效应力随制动时间增加逐渐向内径处和中间截面移动,但制动后期热应力在摩擦区域内分布基本均匀,应力梯度较小,摩擦区域内周向和径向应力均表现为拉应力,非摩擦区域则为压应力,且周向应力均大于径向应力,因此热裂纹最可能出现在制动盘接触摩擦表面,且为径向裂纹;热应力引起制动盘的变形量最高达到4.5mm,且变形随着半径增大而变大,制动中期产生的热变形最大。
　　4.对主轴制动盘和摩擦片实际模型进行有限元建模,分别对其进行模态分析,考察制动器颤振噪声问题,分析显示制动盘6~10阶模态固有频率属于颤振噪声范围,而制动片固有频率远高于颤振噪声,属于高频尖叫范畴。
　　本文研究对风电主轴制动器材料选择、结构优化设计具有参考价值,分析结果能为进一步对主轴制动器直接耦合分析、完善风电制动器结构等提供相关理论研究,对制动盘、摩擦片的模态分析为噪声研究奠定了基础。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 热-力耦合相关理论

2.1 摩擦生热理论

2.2 传热学理论

2.3 有限元理论

2.4 制动器振动噪声相关理论

2.5 制动器热-力耦合理论

2.6 本章小结

第3章 温度场有限元分析

3.1 制动器温度场数值模型的建立

3.2 温度场有限元分析流程

3.3 温度场结果与分析

3.4 本章小结

第4章 应力场有限元分析

4.1 热-力耦合实现过程

4.2 机械应力场

4.3考虑热应力作用的应力场

4.4 本章小结

第5章 颤振噪声有限元分析

5.1 制动器的颤振噪声

5.2 模态分析介绍

5.3 制动器摩擦副模态分析

5.4 本章小结

第6章 结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果