CN107563086B - 一种制动盘温度场的仿真计算系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制动盘温度场的仿真计算方法，包括：将线路分为多个子区间；计算每一个所述子区间所对应的加速度an；基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数；将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值。本发明还公开了一种制动盘温度场的仿真计算系统。上述仿真计算方法，极大减轻了仿真计算的工作量，降低了对计算机性能的要求。
Description
技术领域
本发明涉及温度场的仿真计算技术领域，特别涉及一种制动盘温度场的仿真计算系统与方法。
背景技术
众所周知，制动盘是机车车辆重要的基础制动装置之一，其在服役过程中的安全可靠性直接影响到列车的运行安全。制动盘在长期的服役过程中，反复受到循环的温度的作用，在一次制动过程后，通常制动盘温度未降到环境温度之前，又开始了下次的制动，制动盘温度将越升越高，直至到达摩擦热输入和对流热耗散的平衡。由于制动盘的最高温度和热循环次数直接影响制动盘的寿命，因此，对制动盘在实际线路参数条件下，进行温度场仿真计算非常重要。
传统的制动盘的温度仿真计算都是基于单次制动和散热条件，这与制动盘的实际工作条件不一致。为了达到按照线路条件下的制动盘摩擦制动温度场仿真，需要按照线路条件，根据减速度的不同，进行多次仿真计算。减速度一旦出现变化，就必须加载不同的对流函数和摩擦热输入函数。因此，按照传统的计算步骤和方法，往往导致非常大的工作量。并且计算机内存的有限，通常在计算3～5次连续制动后，计算机容量由于达到满负荷而停止计算。
发明内容
本发明的目的是提供一种制动盘温度场的仿真计算系统与方法，极大减轻了仿真计算的工作量，降低了对计算机性能的要求。
为实现上述目的，本发明提供一种制动盘温度场的仿真计算方法，包括：
将线路分为多个子区间；
计算每一个所述子区间所对应的加速度an；
基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数；
将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值。
相对于上述背景技术，本发明提供的制动盘温度场的仿真计算方法，首先将线路划分为多个子区间，该线路即为制动盘的运行环境，不同的线路会导致制动盘的工况不同；而后针对每一个子区间，计算该子区间的加速度an；然后基于制动盘的有限元模型，根据每一个子区间的加速度an对全部子区间加载环境参数；最后将加载环境参数后的全部子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值。本发明的核心在于，将线路划分为多个子区间，其中子区间的划分方式可以有多种，包括依据线路的坡度、长度或其他因素进行划分，且划分后的子区间设置为一个载荷步，将全部子区间也即全部载荷步加载环境参数后，进行一次性求解，避免了现有技术中针对每次制动均需要对整条线路进行模拟仿真的情形，进而极大减轻仿真计算的工作量，降低了对计算机性能的要求。
优选地，所述基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数包括：
针对每一个所述子区间，根据公式Re=w×r×r/v计算雷诺数Re；其中，w为制动盘的节点的角速度，r为节点相对于制动中心的距离，v为空气运动粘度；
判断雷诺数Re与5e5的大小；
当Re＜5e5时，对节点加载层流散热函数Hf1，层流散热函数Hf1=0.664×(Re)0.5×0.02/ r；
当Re≥5e5时，对节点加载紊流散热函数Hf2，紊流散热函数Hf2=0.036×0.02×((Re)0.8-23000)/ r。
优选地，所述基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数还包括：
针对每一个所述子区间，判断加速度an是否小于零；
当an＜0时，对制动盘的盘面加载热流密度函数qt，热流密度函数qt=0.85×（M×an×V - M×an×an×t）/（n×π×(R×R- r1×r1)）；其中，M为轴重，V 为当前速度，t 为当前时刻，n为摩擦面数，R与r1分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径。
优选地，所述基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数包括：
针对每一个所述子区间，设置瞬态传热的求解参数。
优选地，所述将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值之后包括：
绘制制动盘在不同时刻下的最大温度值随时间的变化曲线。
优选地，所述计算每一个所述子区间所对应的加速度an包括：
根据每一个所述子区间首尾两端的速度Vn、Vn-1以及每一个所述子区间首尾两端的时刻tn、tn-1，并根据公式an=（Vn-Vn-1）/（tn-tn-1）计算得到每一个所述子区间的加速度an。
本发明还提供一种制动盘温度场的仿真计算系统，包括：
划分模块：用于将线路分为多个子区间；
计算模块：用于计算每一个所述子区间所对应的加速度an；
加载模块：用于基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数；
仿真模块：用于将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值。
优选地，所述加载模块包括：
雷诺数计算单元：用于针对每一个所述子区间，根据公式Re=w×r×r/v计算雷诺数Re；其中，w为制动盘的节点的角速度，r为节点相对于制动中心的距离，v为空气运动粘度；
层流散热函数加载单元：用于判断雷诺数Re与5e5的大小；
当Re＜5e5时，对节点加载层流散热函数Hf1，层流散热函数Hf1=0.664×(Re)0.5×0.02/ r；
当Re≥5e5时，对节点加载紊流散热函数Hf2，紊流散热函数Hf2=0.036×0.02×((Re)0.8-23000)/ r。
优选地，所述加载模块还包括：
热流密度函数加载单元：用于针对每一个所述子区间，判断加速度an是否小于零；
当an＜0时，对制动盘的盘面加载热流密度函数qt，热流密度函数qt=0.85×（M×an×V - M×an×an×t）/（n×π×(R×R- r1×r1)）；其中，M为轴重，V 为当前速度，t 为当前时刻，n为摩擦面数，R与r1分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径。
优选地，还包括；
输出模块：用于绘制制动盘在不同时刻下的最大温度值随时间的变化曲线。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的制动盘温度场的仿真计算方法的流程示意图；
图2为应用图1中的仿真计算方法后得到的温度与路程曲线图；
图3为本发明实施例所提供的制动盘温度场的仿真计算系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图3，图1为本发明实施例所提供的制动盘温度场的仿真计算方法的流程示意图；图2为应用图1中的仿真计算方法后得到的温度与路程曲线图；图3为本发明实施例所提供的制动盘温度场的仿真计算系统的结构框图。
本发明提供的一种制动盘温度场的仿真计算方法，如说明书附图1所示，主要包括：
S1、将线路分为多个子区间；
S2、计算每一个所述子区间所对应的加速度an；
S3、基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数；
S4、将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值。
在步骤S1中，将制动盘所应用的线路进行划分，分为多个子区间；其划分方式可以按照每个子区间的坡度、长度等进行，且每个子区间设置为一个载荷步。
在步骤S2中，计算每一个子区间的加速度an，也即在进行仿真计算之前，应获取制动盘在线路上运行过程中的相关参数，例如速度、时间等；当每个子区间划分完毕后，计算每个子区间的加速度an。
其中，可以根据每一个所述子区间首尾两端的速度Vn、Vn-1以及每一个所述子区间首尾两端的时刻tn、tn-1，并根据公式an=（Vn-Vn-1）/（tn-tn-1）计算得到每一个所述子区间的加速度an。当然，每一个子区间的加速度an的计算方法还可以为其他，本文不再赘述。
在步骤S3中，将三维建模后的制动盘进行有限元划分，得到制动盘的有限元模型，并在相应的软件中根据每一个子区间的加速度an对全部子区间加载环境参数；加载环境参数的方法可以参考现有技术。
在步骤S4中，将加载环境参数后的全部子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值。
采用如此仿真计算方法，在定义所有载荷步（全部子区间）后，进行一次求解，并实现了参数加载，减少了仿真计算的工作量和计算机负担。
针对上述步骤S3，加载环境参数的步骤具体包括：
针对每一个所述子区间，根据公式Re=w×r×r/v计算雷诺数Re；其中，w为制动盘的节点的角速度，r为节点相对于制动中心的距离，v为空气运动粘度；
判断雷诺数Re与5e5的大小；
当Re＜5e5时，对节点加载层流散热函数Hf1，层流散热函数Hf1=0.664×(Re)0.5×0.02/ r；
当Re≥5e5时，对节点加载紊流散热函数Hf2，紊流散热函数Hf2=0.036×0.02×((Re)0.8-23000)/ r。
也即每个载荷步根据制动盘各节点对应的雷诺数Re不同，来决定是加载层流函数Hf1还是加载紊流函数Hf2。其中，对上述节点的选取方式，可以参考现有技术，本文不再赘述。
除此之外，加载环境参数的步骤还包括：
针对每一个所述子区间，判断加速度an是否小于零；
当an＜0时，对制动盘的盘面加载热流密度函数qt，热流密度函数qt=0.85×（M×an×V - M×an×an×t）/（n×π×(R×R- r1×r1)）；其中，M为轴重，V 为当前速度，t 为当前时刻，n为摩擦面数，R与r1分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径。
当an＞0时，无需加载热流密度函数qt；也即，针对每个载荷步，能够根据加速度an的大小，来决定是否加载摩擦制动产生的热流密度函数qt。在加载环境参数的步骤中，针对每一个所述子区间，还应根据实际需要设置瞬态传热的求解参数。
为了得到清晰的仿真曲线，当上述步骤S4执行之后，还可以绘制制动盘在不同时刻下的最大温度值随时间的变化曲线，如说明书附图2所示。可以看出，在不同的路程S（km）下，速度km/h与温度℃的变化情况。此外，坡度m也体现在路程S（km）中，方便后续对相关数据的研究与分析。
针对现有技术中的温度场的仿真计算软件，其操作步骤大致如下：
第一步：提取线路的速度、时间等参数，得到制动盘在该条线路运行时的相关状态；
第二步：将线路划分为m个子区间，并计算每个子区间的加速度an，n为1~m；如上述步骤S1与步骤S2所示；且每个子区间所需时间为tn，n为1~m；
第三步：建立制动盘的有限元模型；当然第三步还可以与第一步和第二步同步进行；
第四步：将加速度a1~am以及时间t1~tm分别赋值于数组an和tn；
第五步：定义数组n，n为1~m；然后进入载荷步的总载荷的循环加载；
第六步：进入加载模块后，设置瞬态传热的求解参数，并读取第n载荷步所对应的an和tn；
第七步：选取对流散热的节点Nmin~Nmax；
第八步：将节点编号min~max赋值于数组Hx，并获取总节点个数K；
第九步：定义数组x，x为1~K；开始进入节点载荷的循环加载；
第十步：计算雷诺数Re之后对节点加载层流散热函数Hf1或者紊流函数Hf2；如上文所述；
第十一步：对子区间的制动特性进行判断，而后可选择的加载热流密度函数qt，如上文所述；
第十二步：判断节点是否达到最大编号，也即是否对全部节点加载完毕；若节点编号Hx＜Hmax，则重新进行节点载荷的循环加载，且x=x+1；若节点编号Hx=Hmax，则结束节点载荷的加载循环。
第十三步：将上述加载的各个环境参数传递至制动盘有限元模型，并保存为载荷步stepn，若n＜m，则重新进入载荷步的总载荷的循环加载，且n=n+1；若n=m，则结束载荷步的总载荷的加载循环。
第十四步：对载荷step1、step2~ stepm进行一次连续求解，提取最大点的温度随时间的变化曲线，并输出，也即上述步骤S4。还可以绘制线路条件下的温度-线路曲线，如说明书附图2所示。
需要说明的是，针对不同温度场的仿真计算软件，其具体操作步骤可以会有差别，本文将不再赘述。
本发明还提供一种制动盘温度场的仿真计算系统，如说明书附图3所示，包括：
划分模块101：用于将线路分为多个子区间；
计算模块102：用于计算每一个所述子区间所对应的加速度an；
加载模块103：用于基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数；
仿真模块104：用于将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值。
优选地，加载模块103包括：
雷诺数计算单元：用于针对每一个所述子区间，根据公式Re=w×r×r/v计算雷诺数Re；其中，w为制动盘的节点的角速度，r为节点相对于制动中心的距离，v为空气运动粘度；
层流散热函数加载单元：用于判断雷诺数Re与5e5的大小；
当Re＜5e5时，对节点加载层流散热函数Hf1，层流散热函数Hf1=0.664×(Re)0.5×0.02/ r；
当Re≥5e5时，对节点加载紊流散热函数Hf2，紊流散热函数Hf2=0.036×0.02×((Re)0.8-23000)/ r。
优选地，加载模块103还包括：
热流密度函数加载单元：用于针对每一个所述子区间，判断加速度an是否小于零；
当an＜0时，对制动盘的盘面加载热流密度函数qt，热流密度函数qt=0.85×（M×an×V - M×an×an×t）/（n×π×(R×R- r1×r1)）；其中，M为轴重，V 为当前速度，t 为当前时刻，n为摩擦面数，R与r1分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径。
优选地，还包括；
输出模块：用于绘制制动盘在不同时刻下的最大温度值随时间的变化曲线。
本发明提供的制动盘温度场的仿真计算系统与方法，将线路进行划分，划分后得到的子区间作为载荷步，在定义全部载荷步后，进行一次求解，实现参数加载，且减少仿真计算的工作量和计算机负担。
以上对本发明所提供的制动盘温度场的仿真计算系统与方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种制动盘温度场的仿真计算方法，其特征在于，包括：
将线路分为多个子区间；
计算每一个所述子区间所对应的加速度an；
基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数；
将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值；
所述基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数包括：
针对每一个所述子区间，根据公式Re=w×r×r/v计算雷诺数Re；其中，w为制动盘的节点的角速度，r为节点相对于制动中心的距离，v为空气运动粘度；
判断雷诺数Re与5e5的大小；
当Re＜5e5时，对节点加载层流散热函数Hf1，层流散热函数Hf1=0.664×(Re)0.5×0.02/r；
当Re≥5e5时，对节点加载紊流散热函数Hf2，紊流散热函数Hf2=0.036×0.02×((Re)0.8-23000)/ r。
2.根据权利要求1所述的仿真计算方法，其特征在于，所述基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数还包括：
针对每一个所述子区间，判断加速度an是否小于零；
当an＜0时，对制动盘的盘面加载热流密度函数qt，热流密度函数qt=0.85×（M×an×V- M×an×an×t）/（n×π×(R×R- r1×r1)）；其中，M为轴重，V 为当前速度，t 为当前时刻，n为摩擦面数，R与r1分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径。
3.根据权利要求1或2所述的仿真计算方法，其特征在于，所述基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数包括：
针对每一个所述子区间，设置瞬态传热的求解参数。
4.根据权利要求1或2所述的仿真计算方法，其特征在于，所述将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值之后包括：
绘制制动盘在不同时刻下的最大温度值随时间的变化曲线。
5.根据权利要求1或2所述的仿真计算方法，其特征在于，所述计算每一个所述子区间所对应的加速度an包括：
根据每一个所述子区间首尾两端的速度Vn、Vn-1以及每一个所述子区间首尾两端的时刻tn、tn-1，并根据公式an=（Vn-Vn-1）/（tn-tn-1）计算得到每一个所述子区间的加速度an。
6.一种制动盘温度场的仿真计算系统，其特征在于，包括：
划分模块：用于将线路分为多个子区间；
计算模块：用于计算每一个所述子区间所对应的加速度an；
加载模块：用于基于制动盘的有限元模型，根据每一个所述子区间的加速度an对全部所述子区间加载环境参数；
仿真模块：用于将加载环境参数后的全部所述子区间进行连续仿真计算，得到制动盘在不同时刻下的温度值；
所述加载模块包括：
雷诺数计算单元：用于针对每一个所述子区间，根据公式Re=w×r×r/v计算雷诺数Re；其中，w为制动盘的节点的角速度，r为节点相对于制动中心的距离，v为空气运动粘度；
层流散热函数加载单元：用于判断雷诺数Re与5e5的大小；
当Re＜5e5时，对节点加载层流散热函数Hf1，层流散热函数Hf1=0.664×(Re)0.5×0.02/r；
当Re≥5e5时，对节点加载紊流散热函数Hf2，紊流散热函数Hf2=0.036×0.02×((Re)0.8-23000)/ r。
7.根据权利要求6所述的仿真计算系统，其特征在于，所述加载模块还包括：
热流密度函数加载单元：用于针对每一个所述子区间，判断加速度an是否小于零；
当an＜0时，对制动盘的盘面加载热流密度函数qt，热流密度函数qt=0.85×（M×an×V- M×an×an×t）/（n×π×(R×R- r1×r1)）；其中，M为轴重，V 为当前速度，t 为当前时刻，n为摩擦面数，R与r1分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径。
8.根据权利要求6或7所述的仿真计算系统，其特征在于，还包括；
输出模块：用于绘制制动盘在不同时刻下的最大温度值随时间的变化曲线。
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