摩擦片熱壓成型在《有限元法》課程教學(xué)中的應(yīng)用

朱春東 付晨 郭飛 王華君

武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430070

摩擦片熱壓成型在《有限元法》課程教學(xué)中的應(yīng)用

朱春東 付晨 郭飛 王華君

武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430070

有限元法是工科院校材料成形專業(yè)面向本科生開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)課程之一。本文運(yùn)用有限元分析軟件分析了摩擦片熱壓成型的熱傳導(dǎo)，不僅可以讓學(xué)生掌握熱傳導(dǎo)的分析方法，還可以使學(xué)生學(xué)到利用有限元法優(yōu)化工藝，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。有效的詮釋了有限元法在熱傳導(dǎo)方面的應(yīng)用。從而在有限的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)該課程教學(xué)目標(biāo)。

摩擦片；熱傳導(dǎo)；課程教學(xué)

引言

自1943年Courant第一次提出單元概念，有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)作為求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種數(shù)值方法已經(jīng)經(jīng)過(guò)了60余年的發(fā)展和完善。1960年, Clough首先把解決彈性力學(xué)平面問(wèn)題的方法稱為有限元法[1]。有限元法（Finite Element Method）是一種高效能、常用的計(jì)算方法。1970年后，我國(guó)開(kāi)始將有限元法用于工程問(wèn)題，至今有限單元法[2]是工程數(shù)值分析領(lǐng)域的最廣泛、重要、成熟的數(shù)值方法,伴隨計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，越來(lái)越發(fā)揮它的強(qiáng)大功能，具有對(duì)復(fù)雜幾何構(gòu)形的適應(yīng)性、各種物理問(wèn)題的可應(yīng)用性、建立嚴(yán)格理論基礎(chǔ)上的可靠性及適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的高效性[3]。

摩擦片是汽車制動(dòng)剎車系統(tǒng)的核心零件，它的質(zhì)量直接關(guān)系到汽車制動(dòng)性能的好壞和汽車制動(dòng)性能的安全性、舒適性等。現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的摩擦片成型工藝是熱壓成型工藝[4]，摩擦片零件圖如圖1，熱壓模具結(jié)構(gòu)圖如圖2。在成型的過(guò)程中，將填料加入凹模與凸模之間的凹槽，然后將凸模壓入凹模，開(kāi)始成型，壓制同時(shí)通上下和兩側(cè)的加熱板對(duì)模具進(jìn)行加熱。

圖2 熱壓模具結(jié)構(gòu)圖

1 數(shù)值模擬實(shí)踐教學(xué)

1.1 理論分析

有限元設(shè)計(jì)的過(guò)程就是用有限元程序把有限元理論和方法用計(jì)算機(jī)實(shí)施過(guò)程的紐帶。該模擬的基本原理是把所處理的對(duì)象首先劃分成有限個(gè)單元（每個(gè)單元包含若干個(gè)節(jié)點(diǎn)），然后根據(jù)能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，由此計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)溫度值，繼而進(jìn)一步求解出其他相關(guān)量[5]。

1.2 摩擦片熱壓成型模擬過(guò)程分析

利用pro/E三維制圖軟件建立摩擦片熱壓成型模型并存以x_t格式導(dǎo)入ANSYS有限元軟件。如圖3所示。主要分成以下六個(gè)步驟：建立工作文件名和工作標(biāo)題；定義單元類型；定義材料性能參數(shù)；導(dǎo)入幾何模型；劃分網(wǎng)格；加載求解；查看求解結(jié)果。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4。加載載荷結(jié)果如圖5。

圖3 導(dǎo)入ANSYS剖面圖

圖4 裝配圖網(wǎng) 格劃分結(jié)果

圖5裝配圖加載載荷結(jié)果

2 摩擦片熱壓成型模擬結(jié)果分析

2.1 理論分析

用有限元軟件進(jìn)行工程分析計(jì)算時(shí),很重要的一點(diǎn)是分析過(guò)程中必須審視分析的結(jié)果,對(duì)結(jié)果有正確的認(rèn)識(shí),從而指導(dǎo)工程分析的正確進(jìn)行。該模擬主要是對(duì)摩擦片熱壓成型過(guò)程中的熱傳導(dǎo)進(jìn)行模擬，從而得到熱壓成型過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布。

2.2 摩擦片熱壓成型溫度場(chǎng)分析

在熱壓成型過(guò)程中，首先將填料加入凹模與凸模之間的凹槽，使填料均勻平整后將剛背平置于填料上，然后將凸模壓入凹模，開(kāi)始成型，壓制同時(shí)通上下和兩側(cè)的加熱板對(duì)模具進(jìn)行加熱。所以整個(gè)過(guò)程對(duì)于熱壓模具來(lái)說(shuō)是穩(wěn)態(tài)傳熱，而對(duì)于摩擦片來(lái)說(shuō)從填料到成形是瞬態(tài)傳熱。

2.2.1 熱壓模具穩(wěn)態(tài)熱分析 圖6即為熱壓模具穩(wěn)態(tài)熱分析溫度場(chǎng)分布等值線圖，從圖中可以看出與加熱板直接接觸的模具的表面溫度與加熱板溫度相同，只有向著與空氣接觸的面的方向才有溫度變化，即與空氣接觸的表面會(huì)有熱量損失。并且通過(guò)模擬可以觀察到與摩擦片接觸的模具表面溫度均達(dá)到了加熱板溫度，從而得到了摩擦片在做瞬態(tài)熱分析時(shí)的設(shè)置溫度，即為加熱板溫度。

2.2.2 摩擦片瞬態(tài)熱分析 由熱壓模具的穩(wěn)態(tài)熱分析得到了摩擦片的瞬態(tài)傳熱的加熱溫度即為加熱板溫度。圖7即為摩擦片瞬態(tài)熱分析溫度場(chǎng)分布等值線圖，圖中可以看出摩擦片在壓制以及保壓時(shí)間內(nèi)有溫度變化，其溫度由外向內(nèi)逐漸降低,溫度均勻，僅相差0.2℃。

圖6 熱壓模具穩(wěn)態(tài)熱分析溫度場(chǎng)分布等值線圖

圖7 摩擦片瞬態(tài)熱分析溫度場(chǎng)分布等值線圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該模擬，不僅掌握了運(yùn)用有限元法對(duì)摩擦片熱壓成型過(guò)程中熱傳導(dǎo)過(guò)程的模擬的方法，并且歸納出摩擦片以及熱壓模具在熱壓過(guò)程中的溫度分布規(guī)律，從而便于在該基礎(chǔ)上優(yōu)化成型工藝并且達(dá)到節(jié)能的目的。所以有限元法不僅可以分析熱傳導(dǎo)過(guò)程，還可以起到優(yōu)化和改善的作用。因此作為材料成形的學(xué)子，掌握有限元法是很有必要的。

[1]王勖成,邵敏.有限單元法基本原理與數(shù)值方法[M] .北京: 清華大學(xué)出版社, 1988

[2]王勖成.有限單元法[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2003

[3]閔杰，李路，劉華勇.土建類數(shù)值分析課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化探討[J].高等建筑教育，2010（5)

[4]劉曉.新型復(fù)合摩擦材料的低溫成型工藝研究[D].山東理工大學(xué)，2009

[5]李霞，宋海堂.ANSYS在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用，2007，(11)

The Application of Friction Lining Heat Pressing Forming in Teaching of the Finite Element Method Course

Zhu Chundong Fu Chen, Guo Fei Wang Huajun
School of Material Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.05.099

廣東省重大科技專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：2011A080802015）專項(xiàng)資金。

朱春東（1963-），男，湖北廣水人，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚瓦^(guò)程控制和模擬。