基于DOE的通風(fēng)式制動(dòng)盤(pán)散熱性結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李國(guó)鵬 李興 郝君起 張丹

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

汽車通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中因摩擦生熱使制動(dòng)盤(pán)溫度升高，制動(dòng)盤(pán)通過(guò)通風(fēng)槽散熱，制動(dòng)盤(pán)的散熱性是制動(dòng)盤(pán)最重要的性能，它直接影響制動(dòng)盤(pán)DTV及制動(dòng)過(guò)程中熱變形及熱應(yīng)力等情況[1]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（DOE）是優(yōu)化多因子相關(guān)的復(fù)雜設(shè)計(jì)的科學(xué)方法。文章采用田口DOE 法，在理論認(rèn)識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用規(guī)格化的正交表，科學(xué)地挑選試驗(yàn)條件，合理地安排試驗(yàn)，從很多試驗(yàn)調(diào)階中選出代表性強(qiáng)的少數(shù)次條件以及對(duì)次試驗(yàn)條件的分析，最終找出最后或較優(yōu)的試驗(yàn)方案[2]。

1 制動(dòng)盤(pán)熱機(jī)耦合模型的建立

將通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器簡(jiǎn)化為只含制動(dòng)盤(pán)和摩擦片2 個(gè)關(guān)鍵部件的仿真模型，為提高單元質(zhì)量和求解速度，對(duì)模型進(jìn)行必要幾何處理，去除制動(dòng)盤(pán)微小倒角倒圓。設(shè)置單元類型為溫度-位移耦合單元，尺寸為4 mm；網(wǎng)格質(zhì)量控制在：翹曲值＜5，雅克比＞0.6 等。制動(dòng)盤(pán)和摩擦片有限元網(wǎng)格模型，如圖1 所示，由17 887 個(gè)C3D8T 單元和2 002 個(gè)C3D6T 單元組成。

2 制動(dòng)盤(pán)熱機(jī)耦合仿真分析

制動(dòng)盤(pán)熱機(jī)耦合仿真以整車從70 km/h 應(yīng)急制動(dòng)至停車過(guò)程中前制動(dòng)盤(pán)的溫度變化過(guò)程，車輪半徑0.32 m，制動(dòng)管路壓強(qiáng)10 MPa，摩擦片壓強(qiáng)4.9 MPa 為依據(jù)進(jìn)行。在Abaqus 軟件中，約束摩擦片X，Z 方向的位移自由度，允許其沿著Y 軸方向自由移動(dòng)；約束制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)中心繞Y 軸旋轉(zhuǎn)以外的所有自由度；在制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)中心施加初始角速度60 rad/s，旋轉(zhuǎn)中心參考點(diǎn)與制動(dòng)盤(pán)的螺栓孔之間建立剛性連接；摩擦片遠(yuǎn)離制動(dòng)盤(pán)的表面外側(cè)施加均勻分布的4.9 MPa 制動(dòng)壓力。整個(gè)模型系統(tǒng)初始溫度與環(huán)境溫度相同，設(shè)為20 ℃。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)加入隨時(shí)間變化的散熱系數(shù)，表現(xiàn)制動(dòng)盤(pán)散熱隨轉(zhuǎn)速的降低而減慢的作用[3]。

3 試驗(yàn)方法在制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的應(yīng)用

制動(dòng)盤(pán)散熱性主要與制動(dòng)盤(pán)盤(pán)厚及制動(dòng)盤(pán)通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)有關(guān)，現(xiàn)以制動(dòng)盤(pán)的這2 個(gè)主要因素設(shè)定制動(dòng)盤(pán)DOE 因子。

3.1 因子水平選取

文章選取加強(qiáng)筋數(shù)量、加強(qiáng)筋寬度及制動(dòng)盤(pán)單側(cè)厚度3 個(gè)因子，每個(gè)因子選取3 個(gè)水平，因子水平，如表1 所示。

表1 制動(dòng)盤(pán)散熱性試驗(yàn)因子水平表

3.2 試驗(yàn)分析計(jì)算

根據(jù)因子水平數(shù)在正交表中選擇標(biāo)準(zhǔn)正交表L9（34），由正交表得到9 個(gè)仿真方案。根據(jù)這9 個(gè)不同水平組合下的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行制動(dòng)盤(pán)熱機(jī)耦合仿真，得到每個(gè)仿真方案制動(dòng)盤(pán)的最高溫度，并通過(guò)制動(dòng)盤(pán)Catia數(shù)模測(cè)量制動(dòng)盤(pán)質(zhì)量。匯總結(jié)果，如表2 所示。（試驗(yàn)5為當(dāng)前制動(dòng)盤(pán)狀態(tài)）

表2 制動(dòng)盤(pán)散熱性試驗(yàn)因子仿真分析結(jié)果計(jì)算表

3.3 方差分析

采用Minitab 軟件對(duì)制動(dòng)盤(pán)散熱性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。

3.3.1 溫度的方差分析

在制動(dòng)盤(pán)散熱性能試驗(yàn)中，溫度的方差分析，在檢驗(yàn)中使用調(diào)整的方差，各因素的均方差，如表3 所示。

由表3 可以看出，在制動(dòng)盤(pán)散熱方面因子影響主次排布如下：?jiǎn)蝹?cè)盤(pán)厚、加強(qiáng)筋數(shù)量與加強(qiáng)筋寬度交互作用、加強(qiáng)筋數(shù)量、加強(qiáng)筋寬度。

制動(dòng)盤(pán)散熱性能的溫度主效應(yīng)圖，如圖2 所示。

3.3.2 質(zhì)量的方差分析

在制動(dòng)盤(pán)散熱性能試驗(yàn)中，對(duì)質(zhì)量的方差分析，在檢驗(yàn)中使用調(diào)整的方差，各因素的均方差，如表4 所示。

表4 影響質(zhì)量的各因素均方差表

由表4 可以看出，在制動(dòng)盤(pán)經(jīng)濟(jì)性方面因子影響主次排布如下：?jiǎn)蝹?cè)盤(pán)厚、加強(qiáng)筋寬度、加強(qiáng)筋數(shù)量、加強(qiáng)筋數(shù)量與加強(qiáng)筋寬度交互作用。

制動(dòng)盤(pán)散熱性能的質(zhì)量主效應(yīng)圖，如圖3 所示。

3.4 結(jié)果分析

通過(guò)方差分析結(jié)果及主效應(yīng)圖可以得到各因素與制動(dòng)盤(pán)溫度和質(zhì)量的相關(guān)作用，如表5 所示。

表5 各因素與制動(dòng)盤(pán)溫度和質(zhì)量的相關(guān)作用表

由表5 可以看出，筋外側(cè)寬度的減小，既能夠降低制動(dòng)盤(pán)最高溫度，也能夠減少制動(dòng)盤(pán)質(zhì)量，但是要注意筋數(shù)目與筋外側(cè)寬度的交互作用。

下面通過(guò)加強(qiáng)筋數(shù)量與加強(qiáng)筋寬度交互作用與制動(dòng)盤(pán)最高溫度的等值線圖（如圖4 所示）來(lái)確定這一交互作用對(duì)制動(dòng)盤(pán)最高溫度的相關(guān)性。

由圖4 可以看出，在制動(dòng)盤(pán)加強(qiáng)筋寬度為7.5 mm，加強(qiáng)筋數(shù)量在48，49，50，51 個(gè)時(shí)制動(dòng)盤(pán)溫度處于最低水平。由此可以看出，制動(dòng)盤(pán)加強(qiáng)筋寬度由8.5 mm 降低至7.5 mm，既能降低制動(dòng)盤(pán)的最高溫度也能減輕制動(dòng)盤(pán)的質(zhì)量。

4 優(yōu)化方案確定與驗(yàn)證

由于制動(dòng)盤(pán)單側(cè)厚度對(duì)制動(dòng)盤(pán)最高溫度及質(zhì)量都較敏感，故不做變動(dòng)，根據(jù)制動(dòng)盤(pán)最高溫度與加強(qiáng)筋數(shù)量加強(qiáng)筋寬度等值線圖，選定加強(qiáng)筋外側(cè)寬度為7.5 mm，筋數(shù)目取其中最低值48 個(gè)，通過(guò)仿真得到制動(dòng)盤(pán)最高溫度為182.5 ℃，相對(duì)于目前制動(dòng)盤(pán)的最高溫度187.3 ℃有所降低，同時(shí)質(zhì)量6.545 kg 比目前制動(dòng)盤(pán)6.662 kg 降低0.117 kg。達(dá)到了散熱性與經(jīng)濟(jì)性同時(shí)提升的效果。

由于仿真分析目標(biāo)為制動(dòng)盤(pán)最高溫度，不能體現(xiàn)整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中溫度是否都降低，采用制動(dòng)盤(pán)最高溫度區(qū)域的節(jié)點(diǎn)溫度繪制優(yōu)化前后制動(dòng)過(guò)程溫度曲線圖，如圖5 所示。由圖5 可以看出，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程溫度都低于原制動(dòng)盤(pán)方案。

5 結(jié)論

通過(guò)CAE 軟件Hypermesh 建立制動(dòng)盤(pán)熱機(jī)耦合有限元網(wǎng)格模型，利用Abaqus 軟件進(jìn)行制動(dòng)盤(pán)熱機(jī)耦合仿真，得到制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)過(guò)程中溫度情況，采用DOE方法進(jìn)行制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，控制目標(biāo)為制動(dòng)盤(pán)溫度及質(zhì)量，用溫度表現(xiàn)制動(dòng)盤(pán)散熱性、質(zhì)量表現(xiàn)制動(dòng)盤(pán)經(jīng)濟(jì)性，最終方案實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)盤(pán)散熱性及經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)優(yōu)化。這為優(yōu)化制動(dòng)盤(pán)散熱性的設(shè)計(jì)提供了較好的借鑒和依據(jù)，有效地節(jié)省了試驗(yàn)所花費(fèi)的時(shí)間和成本。