有限元法在分析制動(dòng)盤損壞原因中的應(yīng)用

潘少猷，馮 浩，張志勇，陳建國

（1.司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所，上海 20063；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

道路交通事故中的主要參與物就是人、車、路。從處理事故的司法角度來看，搞清事故起因是一個(gè)非常重要的問題。在事故現(xiàn)場，車輛或多或少都會(huì)有一些部件損壞。若事故是由這些部件的突發(fā)性故障而引起的，則一般可以定性為意外事故。有限元法在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用，其同樣適用于交通事故中部件損壞原因的鑒定。本文主要通過一起對制動(dòng)盤的損壞原因進(jìn)行技術(shù)鑒定的案例，闡述有限元法在此類型鑒定中的應(yīng)用思路及方法。

1 有限元法簡介

有限元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，其在工程分析方面獲得廣泛應(yīng)用。它利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，其思路是將連續(xù)體理想化為有限個(gè)單元集合而成，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接，并承受一定的載荷，這樣就組成了有限單元集合體。由于有限元的分割和節(jié)點(diǎn)的布置非常靈活，它可以適用于任意復(fù)雜的幾何形狀，處理不同的邊界條件。一般工程設(shè)計(jì)中有限元的分析流程（如圖1所示）。

圖1 有限元的分析流程

2 車輛部件損壞的特點(diǎn)

要分析車輛部件的損壞原因，需要考慮其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、工作特性等方面，是一個(gè)相對復(fù)雜、綜合的鑒定項(xiàng)目。要想確定該部件不同受力狀態(tài)下的力學(xué)特性尤為困難，這主要是因?yàn)檐囕v部件的形狀往往是由多個(gè)簡單幾何體的復(fù)合、疊加而成。如果用人工計(jì)算方法對這些部件的力學(xué)特性進(jìn)行分析，將面臨計(jì)算量大、計(jì)算精度差的問題。但借助計(jì)算機(jī)輔助的有限元法，能較快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出結(jié)果，并以圖形化的方式顯示出來。下文以一起交通事故為例，介紹如何通過有限元法對損壞的制動(dòng)盤進(jìn)行力學(xué)分析，以幫助鑒定該起事故的起因。

3 事故背景情況

據(jù)委托方提供的信息，當(dāng)事人聲稱車輛在國道正常行駛過程中，突然右后輪制動(dòng)盤斷裂，制動(dòng)盤主體斷落砸破右后輪鋼圈，從而引發(fā)事故。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，車輛右后輪整體脫落，車身多處見與事發(fā)路段地面及路邊土坡碰撞的痕跡。由此分析，本起事故的存在兩種可能性。一種確實(shí)如當(dāng)事人所說，制動(dòng)盤先行斷裂。另一種則有可能是制動(dòng)盤在車體側(cè)向與現(xiàn)場固定物碰撞中造成了損壞。

對車輛右后輪制動(dòng)盤的破損情況進(jìn)一步檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其制動(dòng)盤主體與法蘭斷離，斷口位置如圖2制動(dòng)盤外觀照所示，基本位于制動(dòng)盤主體與法蘭連接處，并有一定對稱分布特征。

圖2 制動(dòng)盤外觀照

在專業(yè)的材料鑒定機(jī)構(gòu)進(jìn)行斷口分析后，基本排除制動(dòng)盤材料本身存在缺陷的可能性。那就希望能從該制動(dòng)盤的力學(xué)特性方面，分析出斷裂形成的原因。

4 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

發(fā)生事故車輛的右后輪采用浮鉗盤式制動(dòng)器，其主要由鉗體、制動(dòng)鉗支架、活塞、制動(dòng)塊和制動(dòng)盤等零部件組成。該類型制動(dòng)器總成的幾何模型圖（如圖3所示）。

圖3 浮鉗盤式制動(dòng)器總成的幾何模型圖

制動(dòng)鉗體與活塞對應(yīng)的部位設(shè)置有液壓缸，并配有進(jìn)油口。制動(dòng)器不工作時(shí)，各零部件保持圖4中的狀態(tài)。制動(dòng)塊基本貼合在制動(dòng)盤面上，但制動(dòng)塊對制動(dòng)盤不產(chǎn)生加緊力。

圖4 制動(dòng)器不工作時(shí)剖面圖

圖5 制動(dòng)器工作時(shí)剖面圖

制動(dòng)器工作時(shí)，制動(dòng)總泵將制動(dòng)液從圖5右部的進(jìn)油口壓入液壓缸，并推動(dòng)活塞連同活動(dòng)制動(dòng)塊向制動(dòng)盤方向移動(dòng)。同時(shí)，由于制動(dòng)鉗體可以沿導(dǎo)向銷軸向方向移動(dòng)，液壓缸內(nèi)壓力會(huì)通過制動(dòng)鉗體的移動(dòng)使固定制動(dòng)塊壓向制動(dòng)盤。最終，兩個(gè)制動(dòng)塊加緊制動(dòng)盤，產(chǎn)生與制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)方向相反的阻力矩，使車輛減速。

5 建模分析

對制動(dòng)盤及制動(dòng)塊的外形尺寸進(jìn)行測量，在有限元軟件內(nèi)建立相應(yīng)的模型。為了減少計(jì)算所需的系統(tǒng)資源，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，制動(dòng)盤與制動(dòng)塊模型（如圖6所示）。

圖6 制動(dòng)盤與制動(dòng)塊模型圖

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，制作如表1的材料參數(shù)表。依照表1內(nèi)的參數(shù)，在有限元軟件內(nèi)設(shè)置制動(dòng)盤及制動(dòng)塊的密度、彈性模量、泊松比等屬性。劃分網(wǎng)格后，定義制動(dòng)塊與制動(dòng)盤的接觸，設(shè)定摩擦系數(shù)為0.38。

表1 材料參數(shù)表 （f=0.38）

在行駛過程中，制動(dòng)盤處于繞中心軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤除受自身重力外，其主要就受制動(dòng)塊的夾緊力和摩擦力。若當(dāng)事人所說情況屬實(shí)，制動(dòng)盤應(yīng)在這種受力狀態(tài)下造成損壞。

在車身側(cè)向與固定物碰撞過程中，車輪發(fā)生軸向位移。車輪的位移帶動(dòng)制動(dòng)盤的法蘭部分使制動(dòng)盤產(chǎn)生位移。制動(dòng)鉗支架安裝在車身懸架上，其不會(huì)完全與車輪同步位移。制動(dòng)塊就會(huì)干涉制動(dòng)盤的移位，制動(dòng)盤處于與行駛過程完全不同的另一種受力狀態(tài)。

不管是何種受力狀態(tài)下造成的制動(dòng)盤損壞，破損的部位都應(yīng)該在應(yīng)力集中部位。只要分析出制動(dòng)盤在上述兩種狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況，就能判斷出事發(fā)時(shí)的實(shí)際情況。

6 仿真求解

根據(jù)分析的情況，首先模擬正常制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)盤與制動(dòng)塊的載荷（如圖7所示）。在模型的法蘭部分加載轉(zhuǎn)矩，模擬車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩。兩塊制動(dòng)塊外側(cè)分別加載數(shù)值相等、方向相對的壓強(qiáng)，模擬制動(dòng)塊的壓緊力。

圖7 模擬正常制動(dòng)時(shí)載荷加載圖

通過有限元軟件求解出正常制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤的應(yīng)力分布情況（如圖8所示）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)盤上應(yīng)力較大區(qū)域集中在制動(dòng)塊附近的制動(dòng)盤主體上。

圖8 正常制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤應(yīng)力分布圖

再模擬車輪側(cè)向位移時(shí)的制動(dòng)盤與制動(dòng)塊的載荷（如圖9所示）。在模型的法蘭部分加載軸向位移，模擬從車輪傳遞來的外力。兩塊制動(dòng)塊均限制自由度。

圖9 模擬車輪側(cè)向位移時(shí)載荷加載圖

通過有限元軟件求解出車輪側(cè)向位移時(shí)，制動(dòng)盤的應(yīng)力分布情況（如圖10所示）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)盤上應(yīng)力集中在主體與法蘭連接處并具有對稱分布特征。

圖10 車輪側(cè)向位移時(shí)制動(dòng)盤應(yīng)力分布圖

7 交通事故鑒定意見

交通事故中制動(dòng)盤的斷裂部位主要沿圓周方向、集中在制動(dòng)盤主體與法蘭部分結(jié)合處，而且有一定的對稱性，其與圖10的紅色（應(yīng)力較大）區(qū)域基本一致。而圖8的應(yīng)力較大區(qū)域集中在制動(dòng)盤與制動(dòng)塊接觸的部位，其分布區(qū)域、特點(diǎn)均與制動(dòng)盤的實(shí)際損壞部位相差較大。因此可以判斷，制動(dòng)盤不是在正常制動(dòng)狀態(tài)下（如圖8所示）損壞的，而是在車輪側(cè)向與固定物碰撞中（如圖10所示）形成。在綜合其它信息之后，作出了排除因制動(dòng)盤先行斷裂而引起事故的鑒定意見。

8 結(jié)論

工程中的有限元應(yīng)用往往關(guān)注設(shè)計(jì)方案的仿真，最終達(dá)到某些方面優(yōu)化的目的。此時(shí)，對有限元中輸入的外廓尺寸、材料參數(shù)等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求較高。但在交通事故鑒定中，分析的目的在于搞清現(xiàn)有設(shè)計(jì)的力學(xué)特性。重點(diǎn)在于外廓尺寸，對于材料參數(shù)的準(zhǔn)確性要求并不高。因此，可在沒有做材料的力學(xué)試驗(yàn)的情況下，通過查詢類似材料的文獻(xiàn)資料完成有限元材料參數(shù)的確定。當(dāng)部件的外廓形狀特別復(fù)雜時(shí)，可以考慮借助三維掃描儀獲得該部件的外廓尺寸參數(shù)。在掃描同時(shí)，計(jì)算機(jī)也能自動(dòng)生成模型，縮短建模的時(shí)間。

總的來說，有限元可以分析出部件的力學(xué)特性，并用直觀地方式顯示出來。在交通事故鑒定中應(yīng)用的門檻不算高，是一種行之有效的鑒定方法。隨著現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，有限元在交通事故鑒定中的應(yīng)用將會(huì)越來越普遍。

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