高速列车制动盘流场和温度场仿真

摘要

盘形制动装置具备结构简单、工作可靠等其它制动装置无可比拟的优点，是目前广泛应用在高速列车上的制动方式。盘形制动是保证高速列车安全运营的关键，关于制动盘失效的研究一直以来都是高速列车提速和安全行驶至关重要的一环。制动盘失效的方式主要是热疲劳引起的热裂纹扩展，对制动盘在紧急制动工况时进行热分析对预防热裂纹产生、提高制动盘工作可靠性以及制动盘的选材和结构优化有很大的工程意义。
　　本文在查阅以往制动盘热分析文献的基础上，提出先对制动盘在制动时周围的空气流场进行模拟，求得制动过程中制动盘摩擦面和散热筋板面上的空气流速，进而得到随时间变化的对流换热系数。相比以往热分析文献中的对流换热模型，本文提出的关于求解对流换热系数的新思路更加符合实际。在确定热输入模型的过程中，相比传统的用能量折算法确定出的热流密度，本文采用微元法计算热流密度，得到的热流密度能反映出其在制动盘径向方向的分布，即考虑了闸片形状对热流密度的影响。在建立热辐射模型时，由于辐射换热在热分析计算时会引起高度非线性，本文根据牛顿冷却定律将热辐射系数等效成对流换热系数，使计算过程更容易收敛。
　　确定热输入模型、对流换热模型和热辐射模型后，本文建立了制动盘的三维模型和循环对称十二分有限元模型，对某种紧急制动工况时制动盘的温度场分布进行了数值模拟。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 制动盘材料的研究现状

1．2．2 制动盘热-力耦合疲劳机理的研究现状

1．2．3 制动盘制动时周围流场的研究现状

1．2．4 制动盘结构优化的研究现状

1．2．5 列车制动盘研究的实验法和数值模拟法

1．3 本文研究的主要内容

第2章 热分析基础理论

2．1 有限元法

2．2 传热学理论

2．2．1 热力学第一定律

2．2．2 三种传热方式

2．2．3 导热方程

2．3 边界条件与初始条件

2．4 制动盘-闸片接触模型

2．4．1 接触面压力分布

2．4．2 摩擦副热流分配系数

第3章 制动盘周围空气流场仿真

3．1 CFD分析基础

3．1．1 CFD发展历程

3．1．2 流体力学基本概念

3．1．3 基本控制方程

3．1．4 湍流的数值模拟方法

3．1．5 标准k-ε模型

3．1．6 壁面函数

3．1．7 FLUENT软件

3．2 非结构化网格和网格光顺

3．2．1 非结构化网格

3．2．2 网格光顺

3．3 利用ICEM CFD划分简化制动盘网格

3．4 制动盘周围空气流场仿真

3．4．1 FLUENT湍流模型

3．4．2 动网格模型

3．4．3 制动盘周围空气流场分析的边界条件

3．5 仿真结果

第4章 制动盘温度场仿真

4．1 制动盘有限元模型

4．1．1 制动装置及相关参数

4．1．2 热分析的假设条件

4．1．3 边界条件

4．2 热输入模型

4．2．1 微元法计算热流密度

4．2．2 能量折算法计算热流密度

4．2．3 热流密度加载表

4．3 对流换热模型

4．3．1 制动过程中的强迫对流

4．3．2 制动结束后的自然对流

4．4 热辐射模型

4．5 仿真结果分析

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

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