ABAQUS二次開(kāi)發(fā)在多片式摩擦副仿真中的應(yīng)用

王延忠,于祥云,竇德龍,張 震

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,北京 100191)

1 引言

通風(fēng)盤(pán)式制動(dòng)器因其制動(dòng)穩(wěn)定性、可控性、可提供較大范圍的制動(dòng)力矩而被廣泛應(yīng)用。而多片式摩擦副的機(jī)構(gòu)主要有制動(dòng)器、離合器等,具有功率密度高、散熱效果好,傳遞扭矩大,接合平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于車(chē)輛、船舶、航空等各個(gè)工程領(lǐng)域。摩擦部件由分離盤(pán)和摩擦盤(pán)組成,沿轉(zhuǎn)軸交替排列,在接合和分離過(guò)程中,分離盤(pán)在液壓活塞的作用下與摩擦盤(pán)接觸并滑動(dòng),在其接觸面上必然產(chǎn)生摩擦熱[1,2]。

ABAQUS有限元分析軟件具有強(qiáng)大的建模能力以及強(qiáng)大的非線(xiàn)性計(jì)算能力,且其自帶的前后處理器為用戶(hù)提供了廣泛的功能,但如自動(dòng)重復(fù)化建模,參數(shù)化分析研究,訪(fǎng)問(wèn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)等功能還需要通過(guò)二次開(kāi)發(fā)或使用其它軟件才能更好地實(shí)現(xiàn)[3-5]。

學(xué)者們針對(duì)有限元分析軟件二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大量研究。華中科技大學(xué)郁榮等[6]用Python 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)蜂窩單胞結(jié)構(gòu)自動(dòng)建模的程序,大大減輕變參數(shù)系列分析過(guò)程中的工作量。西南交通大學(xué)陳飛等[7]使用Python 語(yǔ)言對(duì)Abaqus軟件的前、后處理模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),為快速預(yù)測(cè)不同噴丸參數(shù)下弓形件噴丸強(qiáng)化的變形提供參考。于金[8]等通過(guò)對(duì)ABAQUS二次開(kāi)發(fā)獲得延伸機(jī)匣由讓刀引起的加工變形數(shù)據(jù),對(duì)此類(lèi)零件的工裝設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏杰等[9]通過(guò)對(duì)ABAQUS二次開(kāi)發(fā)得到了螺栓實(shí)際滑移量計(jì)算方法,提高了螺栓連接的可靠性。Jian Wu等[10]詳細(xì)描述了CFRP-CFST的參數(shù)化建模過(guò)程,并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了腳本語(yǔ)言建模的準(zhǔn)確性和有效性。另外,許多學(xué)者圍繞多盤(pán)制動(dòng)器的熱結(jié)構(gòu)耦合展開(kāi)研究,對(duì)具體制動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊急制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真[11,12]。然而,鮮見(jiàn)基于A(yíng)BAQUS二次開(kāi)發(fā)的多片式摩擦副熱結(jié)構(gòu)耦合仿真應(yīng)用研究。

本文在對(duì)ABAQUS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)提高仿真效率的基礎(chǔ)上,利用典型多片式摩擦副結(jié)構(gòu)——無(wú)返回裝置作為仿真實(shí)例,對(duì)比分析不同摩擦副對(duì)數(shù),不同尺寸參數(shù)在摩擦過(guò)程的熱力響應(yīng)情況進(jìn)行分析,得出在一定尺寸空間、一定制動(dòng)壓力的情況下最高效的多片式制動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2 多片式摩擦副結(jié)構(gòu)

對(duì)多片式摩擦副的分析將以民機(jī)艙門(mén)作動(dòng)系統(tǒng)中的無(wú)返回機(jī)構(gòu)為例,貨艙門(mén)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、減速器、無(wú)返回機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器、連桿機(jī)構(gòu),而無(wú)返回機(jī)構(gòu)作為緊急制動(dòng)、艙門(mén)把持和艙門(mén)關(guān)閉過(guò)程中的制動(dòng)裝置,在作動(dòng)過(guò)程中具有重要意義。

無(wú)返回裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,輸入軸通過(guò)球窩副與小連接軸相連,小連接軸通過(guò)花鍵與動(dòng)摩擦片、大連接軸固連,而輸出軸通過(guò)球窩副與大連接軸相連,最后,靜摩擦片、擋板與殼體固連,各部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為動(dòng)摩擦片與小連接軸通過(guò)花鍵連接,可沿軸向上移動(dòng),有軸向移動(dòng)與沿軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度;靜摩擦片用花鍵與殼體相連,可沿殼體軸向移動(dòng),但靜摩擦片不可轉(zhuǎn)動(dòng),只有一個(gè)軸向移動(dòng)自由度;擋板為完全固定。

圖1 無(wú)返回裝置結(jié)構(gòu)示意圖

具體的制動(dòng)過(guò)程如下:開(kāi)啟艙門(mén)后把持艙門(mén)以及關(guān)閉艙門(mén)時(shí)艙門(mén)在重力作用下帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng),輸出軸與大連接軸相連,而大連接軸通過(guò)輸出側(cè)球窩副轉(zhuǎn)化的壓緊力壓緊摩擦副,同時(shí)帶動(dòng)小連接軸、動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)動(dòng),從而產(chǎn)生摩擦力矩以達(dá)到制動(dòng)效果。

3 多片式摩擦副參數(shù)化建模二次開(kāi)發(fā)

3.1 ABAQUS內(nèi)核腳本程序及GUI插件程序

ABAQUS軟件為用戶(hù)提供了專(zhuān)門(mén)的二次開(kāi)發(fā)接口,包括用戶(hù)子程序(User Subroutine)和ABAQUS腳本接口(Abaqus Scripting Interface,使用Python語(yǔ)言編寫(xiě))。

ABAQUS/CAE內(nèi)核腳本程序基于Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),擴(kuò)展了約500個(gè)對(duì)象。內(nèi)核腳本程序?qū)嵸|(zhì)上就是對(duì)ABAQUS中對(duì)象進(jìn)行操作,實(shí)現(xiàn)各自功能。用戶(hù)可以使用ABAQUS的GUI工具包中命令或者借助RSG(Really Simple GUI)對(duì)話(huà)框構(gòu)造器開(kāi)發(fā)GUI插件程序。GUI插件程序可以在指定模塊中執(zhí)行函數(shù),通過(guò)定制的圖形用戶(hù)界面輸入?yún)?shù),實(shí)現(xiàn)前后處理中復(fù)雜的操作過(guò)程。ABAQUS /CAE中GUI和內(nèi)核之間的交互如圖2所示[13]。

圖2 內(nèi)核與GUI的交互過(guò)程

3.2 參數(shù)化輸入界面

二次開(kāi)發(fā)主要可以實(shí)現(xiàn)ABAQUS仿真軟件對(duì)摩擦副的快速建模過(guò)程,界面主要分為三個(gè)模塊,若干參數(shù)可以進(jìn)行預(yù)先設(shè)定,通過(guò)RSG對(duì)話(huà)框構(gòu)造器開(kāi)發(fā)GUI插件程序。

第一模塊為工況參數(shù)設(shè)置模塊,如圖3所示。包含設(shè)定摩擦片對(duì)數(shù)(多片摩擦副中動(dòng)、靜摩擦片對(duì)數(shù)),仿真分析步時(shí)間(加壓時(shí)間和制動(dòng)時(shí)間),壓力大小(大連接軸傳遞壓力轉(zhuǎn)換為作用于最外側(cè)靜摩擦片的面壓),旋轉(zhuǎn)速度(動(dòng)摩擦片的旋轉(zhuǎn)速度),網(wǎng)格劃分(動(dòng)靜摩擦片網(wǎng)格疏密)。

圖3 工況參數(shù)設(shè)置界面

第二模塊為建模尺寸模塊,如圖4所示。包含制動(dòng)器的擋板、動(dòng)摩擦片以及靜摩擦片尺寸參數(shù),實(shí)現(xiàn)精確建模,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析與自動(dòng)化建模奠定基礎(chǔ)。

圖4 尺寸參數(shù)設(shè)置界面

第三模塊材料參數(shù)模塊,如圖5所示?？梢葬槍?duì)材料屬性進(jìn)行個(gè)性化定制,所提供的材料參數(shù)接口包括動(dòng)、靜摩擦片的材料密度、彈性模量、泊松比、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹、比熱等相關(guān)參數(shù)。

圖5 材料參數(shù)設(shè)置界面

3.3 編程思路及主程序代碼

程序總體設(shè)計(jì)思路如圖6所示。

圖6 程序總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)多片式摩擦副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),用參考點(diǎn)RP1點(diǎn)與動(dòng)摩擦片內(nèi)徑面耦合設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度模擬小連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程;用參考點(diǎn)RP2點(diǎn)與靜摩擦片內(nèi)徑面耦合限制其它方向自由度;擋板設(shè)置為完全固定。摩擦片的接觸面參數(shù)設(shè)置和動(dòng)、靜摩擦片一致,通過(guò)對(duì)最外側(cè)靜摩擦片施加壓強(qiáng)模擬大連接軸通過(guò)球窩副所傳遞的壓力,設(shè)置RP3點(diǎn)為附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量點(diǎn),用以與動(dòng)摩擦片內(nèi)徑面耦合模擬其它運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)在小連接軸處的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,兩對(duì)摩擦片的裝配結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 兩對(duì)摩擦片ABAQUS裝配圖

由程序總體設(shè)計(jì)思路以及多片式摩擦副結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立的參數(shù)化建模程序主要腳本語(yǔ)句如下:

# 引入所需模塊,與GUI設(shè)定的變量建立連接

fromabaqus import *

defjianmo(NUM,step1,step2,pressure,……

# 建擋板模型,利用ABAQUS自帶建模工具進(jìn)行二維圖的構(gòu)建,對(duì)相應(yīng)尺寸進(jìn)行參數(shù)化

s1=mdb.models[′Model-1′].ConstrainedSketch(name=′profile′,……

# 定義材料參數(shù)

mdb.models[′Model-1′].materials[′Gang′].Density(table=((density1,),))……

# 建n對(duì)動(dòng)摩擦片模型,利用草圖進(jìn)行二維圖紙的構(gòu)建、尺寸參數(shù)化同上,n對(duì)靜摩擦片同理

fori in range(1,NUM):

# 分別對(duì)動(dòng)、靜摩擦片進(jìn)行材料賦予

p.SectionAssignment(region=region, sectionName=′Gang′, offset=0.0,……

# 實(shí)例化n對(duì)摩擦片

a.Instance(name=′Dong′+str(i), part=p,……

# 建立兩個(gè)分析步,設(shè)置溫度場(chǎng)輸出,設(shè)置接觸條件,指定表面并設(shè)置膜層散熱系數(shù),熱輻射

mdb.models[′Model-1′].TempDisplacementDynamicsStep(name=′Step-1′,……

#建立兩個(gè)耦合參考點(diǎn)并指定動(dòng)、靜摩擦片相應(yīng)的內(nèi)圈表面進(jìn)行耦合

mdb.models[′Model-1′].Coupling(name=′Constraint-1′, controlPoint=region11,……

#設(shè)置幅值,施加壓強(qiáng),固定耦合點(diǎn)、設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度,固定擋板,選定相應(yīng)表面施加預(yù)定義溫度場(chǎng)

mdb.models[′Model-1′].TabularAmplitude(name=′Amp-1′, timeSpan=STEP,……

#劃分網(wǎng)格

p.setElementType(regions=pickedRegions, elemTypes=(elemType1, elemType2, elemType3))……

#提交任務(wù)

mdb.Job(name=′Job-′+str(int(NUM-1))+′CP′,model=′Model-1′,……

4 仿真算例對(duì)比分析

4.1 參數(shù)及工況的選擇

模型尺寸可見(jiàn)自動(dòng)化建模界面圖3-圖5,為簡(jiǎn)化模型去除花鍵卡槽和動(dòng)摩擦片盤(pán)面上的溝槽,并為整體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格,整個(gè)模型采用mm-N-s-T單位制。

靜摩擦片基片采用65Mn,摩擦材料為銅基粉末合金,動(dòng)摩擦片和其余材料采用45號(hào)鋼。采用兩個(gè)分析步:step1:在0.001s內(nèi)完成加壓;step2:剩余0.002s內(nèi)為自由制動(dòng)過(guò)程。在初始分析步Initial給定預(yù)定義環(huán)境溫度以及預(yù)定義初始速度觀(guān)察加壓后制動(dòng)過(guò)程中的壓力變化和溫度變化。

根據(jù)工作原理定義各部件邊界條件,在動(dòng)摩擦片耦合點(diǎn)RP1上給定13.78rad/s的初速度,由球窩結(jié)構(gòu)壓緊力轉(zhuǎn)換為施加在端面上的壓強(qiáng)p=535875Pa;定義環(huán)境溫度20度,添加表面熱交換系數(shù)。網(wǎng)格類(lèi)型為6面體C3D8RT,為使其更好地收斂,動(dòng)摩擦片網(wǎng)格相比于靜摩擦片網(wǎng)格適當(dāng)密集一些。

4.2 仿真結(jié)果

為區(qū)分不同摩擦片表面方便說(shuō)明,統(tǒng)一將摩擦片對(duì)數(shù)編號(hào)在最前,一對(duì)為1DONG;靠近擋板處的動(dòng)摩擦片編號(hào)為DONG1摩擦片,依次向后編號(hào),且每個(gè)摩擦片靠近擋板側(cè)的表面為1表面,另一側(cè)表面為2表面。(如2DONG11,表示兩對(duì)摩擦副的結(jié)構(gòu)下,最靠近擋板處的動(dòng)摩擦片,其與擋板接觸的表面的云圖分布情況。)

艙門(mén)關(guān)閉過(guò)程為短暫的旋轉(zhuǎn)、制動(dòng)間歇性過(guò)程,本算例針對(duì)關(guān)門(mén)過(guò)程中制動(dòng)環(huán)節(jié)/緊急制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析,并對(duì)不同位置的動(dòng)摩擦片和不同摩擦片對(duì)數(shù)的動(dòng)摩擦片仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.2.1 壓力分布仿真結(jié)果

圖8-圖11為不同摩擦片對(duì)數(shù)的情況下,各動(dòng)摩擦片部分表面的壓力分布云圖,在動(dòng)態(tài)情況下,不同摩擦片數(shù)的動(dòng)態(tài)接觸壓力狀態(tài)具有相似的特征,其分布大致呈現(xiàn)為摩擦片靠近內(nèi)徑處接觸壓力大,外徑處接觸壓力小的規(guī)律,但摩擦片上的壓力并不均勻,在制動(dòng)過(guò)程中摩擦副的接觸壓力出現(xiàn)集中現(xiàn)象,隨著摩擦副數(shù)的增多,集中接觸壓力的最大值呈現(xiàn)遞增的情況,對(duì)于同種工況下的不同動(dòng)摩擦片而言,均出現(xiàn)不同程度的壓力集中,但以最靠近擋板的DONG12面最為顯著。此外,由壓力分布圖分析得知,一對(duì)摩擦片的接觸壓力要比更多對(duì)數(shù)的均勻,呈現(xiàn)出隨著摩擦副數(shù)的增多,整體分布均勻性遞減,集中壓力峰值越大的情況(此處的均勻指的是壓力的梯度變化情況)。

圖8 一對(duì)摩擦片壓力分布圖

圖9 兩對(duì)摩擦片壓力分布圖

圖10 三對(duì)摩擦片壓力分布圖

圖11 四對(duì)摩擦片壓力分布圖

4.2.2 溫度分布及角速度變化仿真結(jié)果

圖12為摩擦片對(duì)數(shù)為3時(shí)不同動(dòng)摩擦片兩個(gè)表面的溫度分布云圖,其余對(duì)數(shù)的仿真結(jié)果分布規(guī)律與圖12類(lèi)似,最高溫度匯總?cè)绫?所示。

表1 不同摩擦片對(duì)數(shù)的最高溫度

圖12 三對(duì)摩擦片溫度分布圖

整體來(lái)看,溫度分布云圖與接觸壓力分布情況類(lèi)似,呈現(xiàn)出摩擦片靠近內(nèi)徑處溫度較大的分布。沿表面徑向典型結(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣后,從摩擦副的對(duì)數(shù)、距離施壓靜摩擦片側(cè)的遠(yuǎn)近和摩擦片兩側(cè)不同的表面進(jìn)行分析,隨著摩擦副的增多,整體溫度呈下降趨勢(shì),對(duì)于同種工況,靠近擋板的DONG12面溫度分布不均,與壓力分布圖形成對(duì)應(yīng),且為容易出現(xiàn)溫度極值的表面,與擋板和最外側(cè)靜摩擦片直接接觸的兩表面DONG11、DONG*2溫度分布均沒(méi)有明顯的集中現(xiàn)象,溫升平緩均勻。

從圖13可以得知,對(duì)于整個(gè)制動(dòng)過(guò)程而言,在給定仿真工況下從13.78rad/s的初速度到制動(dòng)停止的時(shí)間可以從圖中記錄為:一對(duì)摩擦片,2.5E-3s;兩對(duì)摩擦片,1.5 E-3s;三對(duì)摩擦片,1.25E-3s;四對(duì)摩擦片,1.2E-3s

圖13 不同摩擦片數(shù)角速度變化

5 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)商用有限元軟件ABAQUS的二次開(kāi)發(fā)對(duì)多片式摩擦副進(jìn)行熱力耦合分析,可以較為真實(shí)地模擬制動(dòng)過(guò)程中的壓力、溫度變化情況及旋轉(zhuǎn)部件角速度變化過(guò)程。仿真結(jié)果表明:

1)多片式摩擦結(jié)構(gòu)隨著摩擦副數(shù)的增多,接觸壓力、接觸面積和傳遞過(guò)程的復(fù)雜性也成倍的增加,所以對(duì)于接觸壓力分布而言也越來(lái)越不均勻,且以靠近擋板的動(dòng)摩擦片DONG12面眼里集中情況最為顯著。

2)多片式摩擦結(jié)構(gòu)隨著摩擦副數(shù)的增多,制動(dòng)力增大,制動(dòng)時(shí)間隨之逐漸減少,最大溫升也會(huì)降低。同種工況下不同摩擦片數(shù)的制動(dòng)時(shí)間為:一對(duì)摩擦片,2.5E-3s;兩對(duì)摩擦片,1.5 E-3s;三對(duì)摩擦片,1.25E-3s;四對(duì)摩擦片,1.2E-3s。

3)靠近擋板的DONG12面溫度分布不均,與壓力分布圖形成對(duì)應(yīng),但整體上看動(dòng)摩擦片從DONG1至DONG3的溫度分布逐漸均勻,且與擋板和最外側(cè)靜摩擦片直接接觸的兩表面DONG11、DONG*2溫度分布均沒(méi)有明顯的集中現(xiàn)象,溫升平緩均勻。

綜上所述,摩擦副數(shù)的增多會(huì)直接導(dǎo)致軸向尺寸的增大,且動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力的集中現(xiàn)象明顯,不利于制動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行,另一方面制動(dòng)時(shí)間減少到一定程度之后,摩擦副的增加并不會(huì)對(duì)制動(dòng)時(shí)間再有顯著影響,將以制動(dòng)力的壓緊時(shí)間為主要影響因素,取決于壓緊力的壓緊過(guò)程。設(shè)計(jì)多片式摩擦片對(duì)數(shù)時(shí)在充分考慮空間限制外,還應(yīng)該在制動(dòng)溫升、制動(dòng)時(shí)間以及制動(dòng)穩(wěn)定性上進(jìn)行分析,本案例無(wú)返回裝置可以在三對(duì)副摩擦片結(jié)構(gòu)時(shí)滿(mǎn)足飛機(jī)艙門(mén)的尺寸限制要求,且達(dá)到較高的制動(dòng)性能,同時(shí)參數(shù)化建模程序?yàn)槎嗥侥Σ粮钡哪M分析提供快速、有效的支持。