Конечно-элементное моделирование взаимодействия элементов дискового тормоза

Abstract

RU: Цель. Опыт эксплуатации тормозов транспортных средств показывает наличие износа и повреждений, появление которых не в полной мере соответствует результатам аналитических расчетов. Существующие методы численного анализа позволяют выполнять расчет контактного взаимодействия диска и колодки только на высокопроизводительных компьютерах. Целью данного исследования стала разработка методики расчета динамического контактного взаимодействия тел, моделирующих элементы тормозных систем, которую можно реализовать на персональном компьютере. Методика. Выполнено конечно-элементное моделирование динамического контактного взаимодействия тормозного диска с колодкой в программе ANSYS/LS-DYNA. Принималось, что материалы диска и колодки обладают упругопластическими свойствами. При создании конечноэлементной сетки использован восьмиузловой объемный элемент SOLID164 и оболочечный четырехузловой SHELL163. Результаты. Установлено распределение напряжений и пластических деформаций на контактных поверхностях тормозного диска и колодки при разном их разбиении сеткой конечных элементов. Показано, что в местах расположения узлов чрезмерно крупной конечно-элементной сетки наблюдаются экстремумы пластических деформаций. Приведены зависимости изменения величины пластической деформации в разных точках тормозного диска от времени. Показано, что основной вклад в пластические деформации вносят первый и второй обороты диска. Научная новизна. Разработана методика конечно-элементного решения задачи о динамическом контактном взаимодействии элементов дискового тормоза, позволяющая оценить значения максимально допустимых деформаций, а с ними и сил прижатия тормозной колодки, при которых пластические деформации наблюдаться не будут. Практическая значимость. Применение разработанной методики решения динамической контактной задачи позволяет осуществить моделирование на персональных компьютерах, не имеющих высокой производительности. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых конструкций элементов дискового тормоза, обладающих улучшенными триботехническими свойствами.

UK: Мета. Досвід експлуатації гальм транспортних засобів показує наявність зносу і пошкоджень, поява яких не в повній мірі відповідає результатам аналітичних розрахунків. Існуючі методи чисельного аналізу дозволяють виконувати розрахунок контактної взаємодії диска і колодки тільки на високопродуктивних комп'ютерах. Метою даного дослідження стала розробка методики розрахунку динамічної контактної взаємодії тіл, що моделюють елементи гальмівних систем, яку можна реалізувати на персональному комп'ютері. Методика. Виконано кінцево-елементне моделювання динамічної контактної взаємодії гальмівного диска з колодкою в програмі ANSYS / LS-DYNA. Приймалося, що матеріали диска і колодки мають пружнопластичні властивості. При створенні кінцево -елементної сітки використаний восьмивузловий об'ємний елемент SOLID164 і оболончатий чотирехвузловий SHELL163. Результати. Встановлено розподіл напружень і пластичних деформацій на контактних поверхнях гальмівного диска і колодки при різному їх розбитті сіткою кінцевих елементів. Показано, що в місцях розташування вузлів надмірно великої кінцево-елементної сітки спостерігаються екстремуми пластичних деформацій. Наведені залежності зміни величини пластичної деформації в різних точках гальмівного диска від часу. Показано, що основний внесок в пластичні деформації вносить перший і другий обороти диска. Наукова новизна. Розроблено методику кінцево-елементного рішення задачі динамічної контактної взаємодії елементів дискового гальма, що дозволяє оцінити значення максимально допустимих деформацій, а з ними і сил притиснення гальмівної колодки, при яких пластичні деформації спостерігатися не будуть. Практична значимість. Застосування розробленої методики вирішення динамічної контактної задачі дозволяє здійснити моделювання на персональних комп'ютерах, які не мають високої продуктивності. Отримані результати можуть бути використані при розробці нових конструкцій елементів дискового гальма, які мають поліпшені триботехнические властивості.

EN: Purpose. Experience in the operation of the brakes of vehicles shows the presence of wear and damage, the appearance of which does not fully satisfy to the results of analytical computations. Existing methods of numerical analysis make it possible to perform computations the contact interaction of a disk and a brake pad only by using high-performance computers. The purpose of this research is to develop numerical solution methods for computations the dynamic contact interaction of bodies simulating the elements of braking systems which can be realized on a personal computer. Methodology. Finite element modeling of the dynamic contact interaction of brake disk with a brake pad in the ANSYS / LS-DYNA software is proposed. It was assumed that the materials of the disc and the pad have elastoplastic properties. When creating a finite element grid, an eight-node volumetric element SOLID164 and a four-layer shell SHELL163 are used. Findings. The allocation of stresses and plastic deformations on the contact surfaces of the brake disc and pad is determined for different mesh splitting of the finite elements. It is shown that extremes of plastic deformations are observed near the nodes of a larger finite element mesh. Dependences of the dimension of plastic deformation at different points of brake disk versus time are presented. It is shown that the first and second disk rotations make the main contribution to plastic deformations. Originality. A method for the finite element solution of the problem of dynamic contact interaction of disc brake elements has been developed, which makes it possible to estimate the values of the maximum allowable deformations, and the forces of pressing the brake pad, in which plastic deformations will not be observed. Practical value. The application of the developed method for solving the dynamic contact problem allows for simulation on personal computers that do not have high performance. The obtained results can be used in the development of new designs of disc brake elements with improved tribotechnical properties.