基于ANSYS的汽车盘式制动器设计与分析说明书.doc

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1、目 录摘 要IIIAbstractIV1绪论11.1课题研究背景和意义11.2 课题国内外研究现状及发展趋势11.3 软件简介11.3.1 CATIA软件简介11.3.2 ANSYS软件简介21.4 课题主要研究内容22盘式制动器的设计计算32.1 盘式制动器的设计要求32.1.1盘式制动器结构32.1.2制动器设计要求32.2 盘式制动器设计的参考数据32.3 盘式制动器主要参数的确定42.3.1制动盘42.3.2制动钳42.3.3制动块42.3.4摩擦材料52.3.5制动轮缸52.3.6主要参数确定52.4制动器设计计算62.4.1同步附着系数62.4.2制动器最大制动力矩确定72.4.3

2、制动器制动力82.4.4衬片磨损特性的计算82.4.5温度校核93基于CATIA的盘式制动器的建模113.1模型的简化113.2 各零部件模型创建113.2.1制动盘模型113.2.2制动块模型123.2.3制动钳模型123.2.4支架模型123.2.5其他小部件模型123.3 盘式制动器的装配154基于ANSYS的汽车盘式制动器有限元分析164.1 盘式制动器的静态分析164.1.1制动盘静态分析164.1.2制动块静态分析184.2 盘式制动器的模态分析214.2.1制动盘模态分析214.2.2制动块模态分析244.2.3结果对比分析285结论与展望29参考文献30致谢31II基于ANSY

3、S的汽车盘式制动器设计和有限元分析摘 要制动器是汽车制动系统的主要组成部分, 是影响汽车行驶安全性的重要部件之一。盘式制动器与鼓式制动器相比, 具有散热快、重量轻、构造简单、调整方便、制动效果稳定、热稳定性好、高负载时耐高温性能好等优势,广泛地应用于轿车、客车和重型载货车上。课题以一款现代汽车参数作为参考，首先通过设计计算，确定盘式制动器的几何参数；然后利用CATIA软件建立盘式制动器模型；将制动器的主要零件：制动盘和摩擦片，导入有限元分析软件ANSYS中进行静态分析，得出应力和变形云图，观察应变规律以及检验应力是否满足要求。最后再对主要零件进行模态分析，结合演示动画对各阶模态的固有频率和振型

4、进行比较分析，得出最终结论。 关键词：盘式制动器；CATIA；ANSYS；建模；分析IIIVDesign and finite element analysis of automobile disc brakes based on ANSYSAbstractBrake is the main component of automobile brake system, which is one of the important parts that affect the safety of vehicle. Brake disc and drum brakes, compared with fa

5、st heat dissipation, light weight, simple structure, convenient adjustment, good braking stability, thermal stability and high load when the advantages of the high temperature resistant performance is good, widely used in cars, buses and heavy truck. Based on the parameters of Beijing Hyundai motor,

6、 the geometric parameters of disc brake are determined by design calculation. Then the software CATIA is used to build the disc brake model. Will brakes main parts: the brake disc and the friction plate, imported into finite element analysis software ANSYS static analysis, it is concluded that the s

7、tress and strain contours, observe strain regularity and stress test whether meet the requirements. Finally, the modal analysis of the main parts is carried out, and the natural frequencies and modes of the modes are compared and analyzed with the demonstration animation, and the final conclusion is

8、 drawn.Key words: Disc brake；CATIA；ANSYS；Finite element analysisIVV1绪论1.1课题研究背景和意义制动器不仅是汽车制动系统的重要组成部分, 也是决定汽车行驶安全性的重要部件之一。盘式制动器与鼓式制动器相比, 具有散热快、重量轻、构造简单、调整方便、制动效果稳定、热稳定性好、高负载时耐高温性能好等优势,广泛地应用于轿车、客车和重型载货车上1。随着公路交通的迅速发展和汽车车速的提高以及车流密度的日益增大，汽车制动系的可靠性愈发重要。1.2 课题国内外研究现状及发展趋势国外众多研发汽车的机构，经过多年的研究发现，汽车传统的鼓式制动器几

9、乎在所有的制动性能方面的表现都不及盘式制动器，盘式制动器逐渐广泛应用在一些新式汽车上。如今许多产自欧美的汽车都广泛使用了盘式制动器总成。盘式制动器与鼓式制动器相比，在制动性能方面有众多明显的优势，主要表现在以下几个方面： （1）制动力和安全性：在间断制动状态下，鼓式制动器与盘式制动器的制动能力相差不大，但是盘式制动器在制动响应和控制两个方面的表现要更好。而在连续制动状态下，两种制动器的差别就体现出来。例如汽车在长距离下坡过程中，盘式制动器在恒定的制动压力下，可以完全不失去初始性能，汽车能够全程保持一定的速度行驶。而使用鼓式制动器的汽车，为了保持速度，必须逐渐增大制动压力。持续制动后，在同样大小

10、的制动压力下，盘式制动器产生的制动力只是略微有所下降，而鼓式制动器的制动力下降非常大，可以看出两种制动器的安全因数有着很大的差别。 （2）结构和成本：盘式制动器由制动盘、制动块、制动钳等零件组成，零件数量较少，而鼓式制动器零件数量繁多。相同类型汽车使用的盘式制动器总成的质量也要比鼓式制动器低18%左右，并且在生产装配中，盘式制动器可以作为完整的部件传送。 （3）维修保养：盘式制动器的零件大多密封在外壳中，通过润滑便可延长寿命，所以盘式制动器几乎是不需要进行维修的，即便维修，也主要是更换磨损零件，而且更换盘式制动器零件所需的时间远比鼓式制动器少。故采用盘式制动器，可以节约成本，节省维修时间。 （

11、4）电子制动控制系统（EBS）：盘式制动器通常采用简单，成熟的操作机构，具有非常高的效率，使其EBS能够实现一些强而有效的控制作用，缩短制动距离，提高车辆的稳定性。盘式制动器在响应方面的特性，每个车轮制动性能相差都很小，同一车轴的左右两个车轮之间的磨损也很均匀。而国内的汽车工业水平要比发达国家汽车工业水平落后二十年，那么制动器实验技术也就相对的落后了。但随着我国汽车工业技术的发展,特别是轿车工业的发展,合资企业的引进，国外先进技术的进入，以及对国外先进技术的消化吸收和自护创新，我国的制动器实验技术也取得了巨大的进步。 在轿车、微型车、轻卡、SUV及皮卡方面：在从经济与实用的角度出发，一般采用了

12、混合的制动形式，即前轮盘式制动，后车轮鼓式制动。因汽车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%80%，所以前轮制动力要比后轮大。生产厂家为了节省成本，就采用了前轮盘式制动，后轮鼓式制动的混合匹配方式。采用前盘后鼓式混合制动器，这主要是出于成本上的考虑，同时也是因为汽车在紧急制动时，轴荷前移，对前轮制动性能的要求比较高，这类前制动器主要以液压盘式制动器为主流，采用液压油作传输介质，以液压总泵为动力源，后制动器以液压式双泵双作用缸制动蹄匹配。但随着高速公路等级的提高，前后轮都用盘式制动器是趋势。1.3 软件简介1.3.1 CATIA软件简介CATIA由法国达索公司开发，是

13、集计算机辅助设计、工程、制造于一体的软件，位居世界此类软件领域的领导地位。目前主要应用于航空航天和汽车制造行业。由于CATIA软件曲面设计功能异常强大，模块众多，而现如今汽车的曲面设计也越来越高端，故CATIA软件成为了最好的选择。 本课题使用的是CATIAV5版本软件，通过其零件设计和装配设计功能，绘制盘式制动器主要零件三维图以及装配图。1.3.2 ANSYS软件简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。 它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换， 如CATIA，Pro/E, Auto

14、CAD等。 Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。ANSYS Workbench的界面比经典ANSYS的更加友好，边界条件、材料属性等设置简便，易于上手；与多数CAD软件接口方便使用，各个仿真模块独立。本课题使用的是ANSYS Workbench12.0版本，通过其静力分析和模态分析模块，对使用CATIA建立的三维模型进行有限元分析。1.4 课题主要研究内容课题以一款现代汽车参数作为参考，首先进行设计计算，确定盘式制动器的几何参数并进行校核；然后利用CATIA建立盘式制动器三维零件图和装配图；将制动器主要零件导入有限元分析软件ANSY

15、S，对模型进行静力分析，检验应力是否满足要求，最后进行模态分析，结合演示动画对各阶模态的固有频率和振型进行比较分析，得出最终结论。 312盘式制动器的设计计算2.1 盘式制动器的设计要求2.1.1盘式制动器结构盘式制动器根据摩擦副固定元件的结构不同，分成钳盘式和全盘式两类。钳盘式制动器中制动块为固定摩擦元件，安装在与车轴相连接但是不绕轴线旋转的制动钳中。制动块和制动盘的接触面积很小，在制动盘上所占中心角大小一般为，所以又称为点盘式制动器。全盘式制动器摩擦副中的元件均为圆盘形，制动时各元件盘面全部接触相互摩擦，工作原理和离合器类似，所以也称为离合器式制动器。但该形式的制动器散热比较差，故生产应用

16、中不如钳盘式制动器广泛。而钳盘式制动器还分固定钳和浮动钳两类。本课题选用的汽车采用浮动钳式盘式制动器。2.1.2制动器设计要求盘式制动器的设计要求：1） 足够的制动效能。2） 制动工作可靠，确保制动能力。3） 在任意行驶速度下，汽车制动时，都要保持良好的操纵性和方向稳定性。4） 制动器工作表面有密封保障，防止污泥和水等进入影响制动。5） 热稳定性保持良好。6） 制动过程中，产生尽可能小的噪声。7） 制动反应时间尽可能短。8） 制动块有足够的使用寿命。2.2 盘式制动器设计的参考数据课题以一款现代汽车为参考进行盘式制动器设计，参考数据如下：长/宽/高：4545mm/1725mm/1425mm轴距

17、2610mm前/后轮距：1485mm/1447mm整备质量：1250kg满载质量：1750kg前/后轮规格:185/65 R15空载载荷分配：前轴685kg；后轴565kg满载载荷分配：前轴904kg；后轴846kg空载质心高度：570mm满载质心高度：530mm质心到前轴距离：1580mm质心到后轴距离：1030mm2.3 盘式制动器主要参数的确定2.3.1制动盘制动盘材料通常采用性能优良的珠光体灰铸铁，同时为了确保制动盘有足够的强度和耐磨性，其牌号的强度不可低于HT250。制动盘的形状有平板型和礼帽型两种。为增大散热面积，可以使用通风式制动盘，即制动盘中间铸有多条通风孔道，通过空气的流动

18、从而带走热量，增大散热面积，降低工作温度，有利于制动盘和制动块更加稳定工作。本课题选用的制动盘为灰铸铁材料，礼帽型。前轮采用通风盘，后轮普通盘。另查阅汽车设计手册得知制动盘的精度要求为：端面跳动0.035；两盘面平行度0.010mm；轮毂安装面的平面度0.075mm；精车表面粗糙度m；磨削表面粗糙度0.42.0m；不平衡量75g.cm。2.3.2制动钳大部分汽车制动钳体和支架均采用强度较高的球墨铸件，相当于QT550-5，其耐磨性好，且成本较低。制动钳要尽可能利用轮辋内的最大空间，确保制动盘有较大的有效半径。制动盘有较大的有效半径，夹紧力便会减小，制动钳变形也会随之减小，与此同时还可降低制动块

19、承受的压力以及工作温度。本课题选用的是浮动钳，制动块由钳体的钳脚直接支承，钳脚在受力后会发生变形从而导致制动块磨损不均匀，故在设计时制动钳的钳脚和制动盘之间需要存在微小的角度，确保钳脚在受力变形后，制动块受到的压力比较均匀，处于一个较好的受力状态。制动钳密封圈环槽的设计和加工要求比较严格，环槽锥面角度一般为，槽深加工也必须严格要求。一般把密封圈的端面形状设计成矩形，端面和密封槽端面比通常为。材料多选择三元乙丙橡胶，其具有优良的弹性和硬度。制动钳体和支架的铸件需要无缩孔、疏松、型砂、硬点以及其他影响零件工作的缺陷；还必须利用超声波试验来检查铸件的球墨形状和缺陷，制动钳体以及支架采用镀锌处理，其壳

20、体缸孔底部可以没有表面保护，但最多允许20mm长度的壳体没有保护层；还需要通过脱气处理壳体缸孔，确保其在制动液中温度加热到110时生成的气体量不大于0.1ml。2.3.3制动块 制动块由背板和摩擦衬块两部分组成，摩擦衬块通常为扇形，矩形等2。连接方式有两种：欧洲生产的制动器常通过在背板上钻46个孔，使背板，衬块直接压嵌；美国生产的制动器通常将衬块单独压制成形，背板通过铆钉和衬块连接。背板材料通常采用优质碳素结构钢，直接冲压成形。钢板厚一般为46mm。2.3.4摩擦材料 摩擦材料要有高而稳定的摩擦系数，良好的抗热衰退性能。材料耐磨性也要较好，吸水率低，较高的耐挤压、冲击性能。制动时尽量不产生噪声

21、和不良气味。选用对人体无害的材料。 通过查阅资料比较摩擦材料参数，本课题选用半金属摩擦材料，摩擦系数为f=0.4。2.3.5制动轮缸 制动轮缸缸体通常采用灰铸铁HT250，缸筒为通孔，需要镗磨。2.3.6主要参数确定（1）制动盘直径D制动盘直径的选取应尽可能大，这样可以增加其有效半径，减小制动钳的夹紧力，降低制动块承受的压力以及工作温度3。但由于汽车轮辋直径尺寸的限制，制动盘直径通常为汽车轮辋直径的70%79%。因为参考的车型车轮规格为185/65 R15，轮毂直径为15英寸（381mm），故选取制动盘直径D为280mm。（2）制动盘厚度h制动盘的质量以及工作温度和制动盘厚度相关。为了控制质量

22、制动盘厚度取值不能过大；为了降低温差，取值又不可过小。制动盘有实心式和通风式两种。一般实心式厚度取1020mm，通风式取2050mm。本课题前轮为通风式，故选取厚度h为50mm，后轮实心式，取厚度h为20mm。（3）制动块外半径R2与内半径R1以及厚度h通常制动块外半径R2与内半径R1的比值应该小于1.5。若比值偏大，工作时制动块外侧和内侧的圆周速度会相差较大，导致磨损不均，接触面积减少，使得制动力矩的变化较大。因为D/2=140mm,故摩擦衬块外径R2取140mm，故内径应大于1401.5=93.3mm，故内径R1取95mm。日本轿车和轻型汽车摩擦衬块的厚度在7.5mm16mm之间，故本课

23、题摩擦衬块厚度h取11.5mm。（4）制动块工作面积A制动块的工作面积，通常根据制动块单位面积占有的汽车质量，推荐在1.63.5kg/cm2范围内选用。 ，本课题取70，mm2制动块单位面积占有汽车质量为，在推荐范围内，故mm2，符合要求。2.4制动器设计计算2.4.1同步附着系数任一角速度大于零的车轮，制动过程中，若将地面的滚动力矩和汽车的回转质量惯性力矩忽略4，那么力矩平衡方程为 （2-1）式中: 制动器对车轮的制动力矩，力矩方向与车轮旋转方向相反，N.m； 地面对车轮的制动力，方向与行驶方向相反，N ；车轮有效半径，m。为制动器制动力,方向与地面制动力相反，在汽车车轮角速度时，二者大小相

24、等。和制动器的结构、几何尺寸、摩擦系数及车轮有效半径等相关，与制动踏板力成正相关。加大踏板力，,和也随之增大。而地面制动力由于附着条件的限制，不可大于附着力，即 （2-2） （2-3）式中：轮胎与地面之间的附着系数；Z地面对车轮的法向反力。当制动器制动力和地面制动力达到附着力的值时，车轮抱死滑移。之后制动力矩为静摩擦力矩，成为与地面制动力相平衡阻止车轮旋转的周缘力的极限值5。当车轮后，地面制动力达到附着力值以后将不在变大，制动器制动力由于踏板力的增大使得增大而继续上升。 在制动力足够大时，汽车制动会出现前后轮同时抱死拖滑，此时的附着条件利用最好。任何附着系数在路面上前后轮同时抱死的条件（）。由

25、 （2-4） （2-5）式中：G汽车满载重力；前轮制动力，N；后轮制动力,N；质心到前轴的距离，mm；质心到后轴的距离，mm；汽车质心高度，mm。计算得：= 6648N ； =5070N而制动力分配系数，计算得。汽车制动的方向稳定性和附着条件利用程度受制动力分配的影响。一般希望前轮先抱死。由，得同步附着系数。2.4.2制动器最大制动力矩确定根据公式（2-5）计算得，汽车前后轮同时抱死的制动力比值为1.322，正常小轿车该式比值为，故符合要求。最大制动力矩是汽车附着条件被完全利用条件下获得的，制动力与地面作用于车轮的法向力成正比6,前后轮最大制动力矩分别为： （2-6） （2-7）其中：汽车最大

26、附着系数，取0.9；车轮有效半径，mm；计算得：N.mN.m2.4.3制动器制动力假定衬块的摩擦表面全部与制动盘接触，且各处单位压力分布均匀，则制动器的制动力矩为： （2-8）式中：单侧制动器制动力矩；摩擦因数；单侧制动块对制动盘的压紧力；作用半径。制动因数的定义为在制动鼓或制动盘上的作用半径上所产生的摩擦力与输入力之比即摩擦系数，取0.4。NN2.4.4衬片磨损特性的计算 温度，摩擦力，材料以及加工工况都会影响摩擦片的磨损状况，诸多的影响因素导致很难在理论上求出磨损性能7。但是通过实验发现，在这些因素当中，最主要的是表面温度以及摩擦力，便可以忽略其他次要因素，大大降低计算难度。制动过程中，一

27、部分机械能会转变成热能。而在强度较大的紧急制动中，几乎汽车所有的动能消耗都被制动器承担8。盘式制动器制动块上，单位面积的能量负荷比鼓式制动器的大很多，故制动盘的温度要比制动鼓高很多。比能量散热率： （2-8） （2-9） （2-10）式中：ma汽车总质量，t；汽车回转质量系数；制动时的初速度和最终速度，m/s；制动减速度，m/s2；制动时间，s；前后制动块摩擦面积，mm2；制动力分配系数。 紧急制动直到汽车停止过程中，并可以认为，根据有关文献推荐，计算时取减速度j=0.6g。在这里，初速度选用100km/h(27.8m/s)，乘用轿车盘式制动器在上述和条件下，比能量耗散率应该小于。计算得 w/

28、mm2w/mm2故符合要求。磨损特性指标通常用表示，其数值越大，说明磨损越严重。 （2-11）式中：单侧制动器制动力矩，N.m；制动块作用半径，mm；单个制动块摩擦面积，mm2。计算得前轮N/mm2后轮N/mm22.4.5温度校核比较制动器的热性质和升温范围是否满足以下条件： （2-12）式中：制动盘总质量，根据实际，选取4kg；连接制动盘加热部件的总质量，选取5kg；材料的比热容，铸铁为482J/(kg.k)；铝合金为880J/(kg.k)；温差（由30km/h到完全停车的强烈制动，温升不可超过15）；L满载汽车在制动过程中由动能转变的热能。计算得 J 制动时动能转变为热能（因为制动过程迅速

29、可以认为制动生成的热能全部为制动器所吸收）： （2-13）式中：满载汽车的总质量，kg；汽车制动的初速度，m/s；汽车制动力分配系数。计算得 JJJ因为=94920JL=54543.75J,符合条件，故满足要求。3基于CATIA的盘式制动器的建模3.1模型的简化课程选用的一款现代车型参数为参考，来设计盘式制动器。由于前轮采用通风盘式制动器，后轮实心盘式制动器，下面对前轮通风盘式制动器进行建模。在建立模型前，要将盘式制动器进行一些必要的简化。盘式制动器主要由制动盘，制动块，制动钳，支架等组成，如图3.1所示。图3.1盘式制动器结构图3.2 各零部件模型创建3.2.1制动盘模型打开CATIA软件

30、选择零件设计，首先通过草绘，绘制半边盘体草图，再用旋转命令，绕中心轴旋转，绘制出制动盘体，再通过凸台拉伸和阵列命令绘制筋，然后打孔，倒角，得制动盘零件图，如图3.2所示。图3.2制动盘零件图3.2.2制动块模型通过两次草绘，拉伸凸台，绘制制动块体，然后倒圆角，得制动块零件图。如图3.3所示。图3.3制动块零件图3.2.3制动钳模型先草绘，拉伸凸台，再通过凹槽去除多余部分，得到制动钳体，然后通过打孔，肋，倒角命令，绘制得到制动钳零件图。如图3.4所示。 图3.4制动钳零件图3.2.4支架模型同样先使用拉伸凸台和凹槽命令，再使用孔，倒圆角，得到支架零件图。如图3.5所示。 图3.5支架零件图3.

31、2.5其他小部件模型利用CATIA软件建立的制动器的其他小部件零件图，其参数根据查阅资料和主要零件尺寸确定，如图3.63.10所示。图3.6销零件图图3.7防尘圈图3.8活塞图3.9螺栓图3.10密封圈3.3 盘式制动器的装配绘制完各部件零件图后，通过CATIA的装配设计功能对已经建立的各零件模型进行装配，打开装配设计模块，导入各零件模型，主要使用相合和偏移约束命令，将各零件组装，得装配图如图3.11所示。图3.11盘式制动器装配图4基于ANSYS的汽车盘式制动器有限元分析4.1 盘式制动器的静态分析盘式制动器由制动盘，制动块，制动钳等组成。盘式制动器制动时，泵体活塞通过油管输送的压力作用，推

32、动制动块压向制动盘摩擦制动9。故制动盘和制动块是主要受载部件。下面就利用ANSYS Workbench软件对制动盘和制动块进行静态分析。4.1.1制动盘静态分析（1）导入模型打开ANSYS Workbench12.0，双击Static Structural建立静力分析模块10，右击Geometry，单击import Geometry Browse，选择CATIA制动盘模型文件，导入模型，双击Model，得几何模型图，如图4.1所示。图4.1几何模型（2）对模型属性定义双击Engineering Data，进入材料设置界面，勾选General Materials,因为制动盘材料为灰铸铁，故添加下

33、方A7材料Gray Cast Iron(灰铸铁），由于该材料在软件材料栏中已经存在（密度7200kg/m3,弹性模量1.1E11Pa，泊松比0.28），如图4.2所示。 图4.2材料设置（3）网格划分点击Return to Project返回先前界面，双击Model打开Mechanical界面，单击Model（A4）GeometryPart1,将下方表格中的Material Assignment中的Structural Steel更改为先前选择的材料Gray Cast Iron。右击Mesh，单击Generate Mesh，采用软件默认格式，划分网格，生成22650个节点和11826个单元，得

34、有限元模型图，如图4.3所示。 图4.3有限元模型（4）定义约束，施加载荷根据制动盘的实际安装，对制动盘中心孔全约束，对制动盘内外端面施加X方向约束，对轮毂安装面施加Y和Z方向约束，对摩擦片接触的摩擦面施加Y和Z方向约束。单击Static Structural选择Supports里面的Fixed Supports和Displacement进行约束，对制动盘的两个摩擦面施加25Mpa的载荷（汽车实际制动时，液压管路传递到制动盘上的力一般为，这里仅进行静态分析，选取最大值），如图4.4所示。 图4.4约束受载（5）求解单击Solution（A6）在上面工具栏中点击，Deformation Tota

35、l，Strain Equivalent，Stress Equivalent添加求解结果显示项，单击Solve求解，如图4.5和图4.6所示。图4.5制动盘变形云图图4.6制动盘应力云图从变形云图可以看出，制动盘边缘为红色表示变形最大，最大值为0.083505mm，越靠近中心安装孔变形越小。从应力云图可以看出，摩擦面边缘受到的应力最大，最大应力为201.03MPa，而制动盘的最大抗压强度为250MPa，满足工作要求。4.1.2制动块静态分析（1）导入模型打开ANSYS Workbench12.0，双击Static Structural建立静力分析模块，右击Geometry，单击import Ge

36、ometry Browse，选择CATIA制动块模型文件，导入模型，双击Model，得几何模型图，如图4.7所示。 图4.7几何模型（2）对模型属性定义双击Engineering Data，进入材料设置界面，勾选General Materials,其中背板材料为结构钢，故勾选软件已有材料Structural Steel；而摩擦片的材料为半金属材料，故在表格最下面点击添加新材料，命名为hm，根据资料参数，设置材料属性，密度为2859kg/m3，弹性模量7.5E9Pa，泊松比0.4，如图4.8所示。图4.8设置材料（3）网格划分点击Return to Project返回先前界面，双击Model打开

37、Mechanical界面，点击Geometry，分别设置背板和摩擦片对应的材料，然后右击Mesh，单击Generate Mesh，采用软件默认格式来划分网格，生成15669个节点和6286个单元，得有限元模型图，如图4.9所示。 图4.9有限元模型（4）定义约束，施加载荷根据制动块安装，对制动块安装面进行全约束，对制动块边缘面施加X和Y方向约束。同时，根据前面计算结果，对摩擦面施加25MPa载荷，如图4.10所示。 图4.10约束载荷（5）求解单击Solution（A6）在上面工具栏中点击，Deformation Total，Strain Equivalent，Stress Equivalen

38、t添加求解结果显示项，单击Solve求解，得到制动块变形云图和应力云图，如图4.11和图4.12所示。图4.11制动块变形云图图4.12制动块应力云图从变形云图可以看出，背板全为蓝色，没有变形，而摩擦片边缘为红色，表示变形最大，最大值为0.055857mm，往中心颜色逐渐变浅，说明变形也逐渐变小。从应力云图可以看出，制动块四周边缘处受到的应力最大，最大应力为52.002MPa，但是轿车制动块所受应力的国家标准为不大于90Mpa，故满足工作要求。4.2 盘式制动器的模态分析盘式制动器制动时，由于制动盘和摩擦片相互接触摩擦，共振引发振动噪声11。与制动器静力分析相同，下面主要对制动盘和摩擦片进行模

39、态分析。4.2.1制动盘模态分析（1）导入模型打开ANSYS Workbench12.0，双击Modal进入DS模块。右击Geometry打开建好的制动盘模型文件。双击Engineering Data定义材料，勾选General Materials,添加下方A7材料Gray Cast Iron(灰铸铁）为制动盘选用的材料，同样因为软件自带灰铸铁材料属性，故不需要重新输入（密度7200kg/m3,弹性模量1.1E11Pa，泊松比0.28）。（2）划分网格双击Model，打开Mechanical界面，点击Geometry选择制动盘材料为灰铸铁，然后右击Mesh，单击Generate Mesh，按照

40、默认格式划分网格，生成22650个节点和11826个单元，得有限元模型图，如图4.13所示。图4.13有限元模型图 （3） 添加约束根据制动盘的实际安装，对制动盘中心孔全约束，对制动盘内外端面施加X方向约束，对轮毂安装面施加Y和Z方向约束，对摩擦片接触的摩擦面施加Y和Z方向约束。单击Static Structural选择Supports里面的Fixed Supports和Displacement进行约束，如图4.14所示。图4.14定义约束（4）模态分析类型定义由于高阶模态分析容易引起一定的误差，而且高阶模态难以被激励，故提取前6阶的固有频率和振型12。模态分析默认阶数也是6阶，点击Solut

41、ion，单击上方工具栏中的DeformationTotal，Solution（A6）下面便会出现Total Deformation显示项，选中，将下方表格中的模态数改为1。采用同样的方法，重复以上操作，注意要把每个显示项下方表格的模态数修改对应，直到完成前6阶模态添加，然后单击solve求解，得到模态振型图如图4.154.20所示。图4.15一阶振型图图4.16二阶振型图图4.17三阶振型图图4.18四阶振型图图4.19五阶振型图图4.20六阶振型图根据制动盘约束模态分析的振型图和动画演示：第一阶模态频率为1411.2Hz，振型分布对称，说明制动盘两侧相对于中心线对折运动。第二阶模态频率为14

42、12.9Hz和第一阶十分接近，振型也很相似。第三阶模态频率为1681.2Hz，为伞状振型，表现为中心孔固定，其余盘体的轴向运动。第四阶模态频率为1798.5Hz，表现为对称中心相互垂直的两组对折运动。第五阶模态频率为1800.8Hz，振型和频率都与第四阶相似，运动方式也类似。第六阶模态频率为3156.7Hz，表现为三组对折运动。前6阶模态振型图最大应变都分布在制动盘边缘，故边缘处较易产生噪音。4.2.2制动块模态分析（1）导入模型打开ANSYS Workbench12.0，双击Modal进入DS模块。右击Geometry打开建好的制动块模型文件。双击Engineering Data定义材料，勾

43、选General Materials,其中背板材料为结构钢，故勾选软件已有材料Structural Steel；而摩擦片的材料为半金属材料，故在表格最下面点击添加新材料，命名为hm，设置材料属性，密度为，弹性模量Pa，泊松比为0.4。（2）划分网格双击Model，打开Mechanical界面，右击Mesh，单击Generate Mesh，按照默认格式划分网格，得到15669个节点和6286个单元，得有限元模型图，如图4.22所示。图4.21有限元模型（3） 定义约束根据制动块安装，对制动块安装面进行全约束13，对制动块边缘面施加X和Y方向约束，如图4.23所示。图4.22定义约束（4）模态分析

44、类型定义和制动盘模态阶数设置一样，选取前6阶模态。点击Solution，单击上方工具栏中的DeformationTotal，Solution（A6）下面便会出现Total Deformation显示项，选中，将下方表格中的模态数改为1。采用同样的方法，重复以上操作，注意要把每个显示项下方表格的模态数修改对应，直到完成前6阶模态添加，然后单击solve求解，显示模态振型图如图4.234.28所示。图4.23一阶振型图图4.24二阶振型图图4.25三阶振型图图4.26四阶振型图图4.27五阶振型图图4.28六阶振型图根据制动块约束模态振型图和演示动画：第一阶模态频率为10692Hz，在摩擦片两侧边缘存在较大应变，