基于ANSYS的高速列车制动盘数值模拟

摘要

随着高速列车的飞速发展，其速度在不断的提高，这就给列车制动带来了难题。无论在常规制动还是紧急制动，制动盘都起着至关重要的作用，特别是在紧急制动时，通过制动盘摩擦进行制动是唯一的制动方式，因此，制动盘的研发几乎成为列车进一步提速的瓶颈问题。目前我国的高速列车制动盘很难满足300km/h以上的高速列车的使用要求，基本都是依赖于从国外进口，目前国内许多科研人员正在从事这方面的工作，本文基于这个现状开展了工作。 制动是一个复杂的过程，是涉及摩擦学、热力学、动力学及材料学等各个方面因素交互作用的过程。国内外针对制动盘的研究，问题集中在对盘的断裂分析或者失效分析、裂纹分析，进而着重分析制动过程中盘上出现热斑的热疲劳损伤状况，所采用的研究方法一般为数值模拟结合台架实验。经过众多科研人员的努力，发现制动盘在制动时产生大量的热，短时间内无法扩散出去，从而导致制动盘表面温度很高，而其产生的热应力是制动盘失效的主要原因。 本文利用大型通用有限元软件ANSYS10.O对时速为300km的高速列车轴盘进行研究，建立了三维模型，讨论了载荷的施加，并计算出轴盘在一次紧急制动过程中每一时刻的温度场，热应力场。从计算结果可以看出，在一次紧急制动过程中，制动盘的温度最高时刻出现在开始制动后第60秒左右，其最大值为329.6℃，高温区始终是在摩擦环上，并且经历了一个开始是带状，随后是团状热班不断向周围扩散的过程；而最大应力值大概为311MPa，出现在开始制动后大概第47秒左右，并且最大应力区域分布在筋板所对应的盘体正表面上，且靠近盘的内侧；并且制动盘环向的应力始终大于其它方向的应力。从而得知这种带有散热筋板的锻钢制动盘应该可以满足时速为300km的高速列车轴盘的使用要求。 最后本文提出了进一步精确计算的方法，并对进一步研究制动盘的方法提出建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景

1.1.1高速列车的优越性

1.1.2世界高速铁路的现状

1.1.3制动盘的优越性

1.1.4基础制动

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外制动盘材料的发展现状

1.2.2国内外制动盘研究现状

1.3本文研究的主要内容与方法

第2章有限元理论及有限元模型的建立

2.1 ANSYS10.0简介

2.2热分析基础知识

2.2.1传热学经典理论

2.2.2三种基本传热方式

2.2.3热分析材料的基本属性

2.2.4边界条件与初始条件

2.3 ANSYS热分析

2.3.1 ANSYS热分析基本原理

2.3.2瞬态热分析

2.3.3非线性热分析

2.3.4热应力的计算

2.4模型的建立

2.4.1制动盘的产热和散热

2.4.2计算参数

2.4.3载荷

第3章计算与分析

3.1温度场的计算

3.1.1假设条件

3.1.2建立模型

3.2如何移动热源

3.3温度场计算结果与分析

3.4热应力场的计算与结果分析

第4章模型的简化计算

4.1模型简化的可行性分析

4.2模型的建立

4.3载荷的施加

4.4计算结果与分析

4.4.1温度场计算结果与分析

4.4.2应力场计算结果与分析

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文