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铆接摩擦副热固耦合有限元仿真与试验研究

王延忠,郭超

北京航空航天大学

摘要:本文主要针对铆接摩擦副热固耦合边界进行研究，通过热源模型的计算，获取了摩擦副产热机制与摩擦产热量，通过粗糙表面接触理论的计算，获得粗糙接触下摩擦表面的接触热阻模型；通过履带车辆的工况条件计算了制动能量在两个平面的分配机制；建立了铆接摩擦副粗糙表面接触热阻影响下的Abaqus有限元分析模型，与传统有限元仿真相比较，

新模型将热源产生的热量进行了二次分配，这种考虑表面热阻影响获得的热固耦合仿真能

够获得更加精确的计算结果。从而计算获得了热固耦合下的铆接摩擦副温度分布；通过制动器台架试验验证了有限元模型的精确性，为制动器耐热性能设计提供了有意义的参考。

关键词:铆接摩擦副，热固耦合，有限元分析，温度场

1.前言

摩擦制动器温度是一个很复杂的问题，涉及的学科面很广，就温度场而言，一维和二

维模型的研究报道较多，研究假设是温度场在角度方向无变化；这种假设计算结果与实际

差别较大。随着Abaqus有限元技术的发展，使该研究可拓宽三维模型，即可以三维热传导

方程为基础，通过大型Abaqus有限元中的热分析模块，分析三维瞬态热传导问题。

在大多数工程应用中，摩擦副表面温度的计算模型普遍采用BIock提出的典型模型，

即半无限体表面承受单一集中热源。并提出了闪现温度的概念。接着Jaeger发展了这一理论，

阐述了矩形形状的移动热源作用在半无限体表面上的数学模型(Evtushenko,2000)。

由于Block-Jaeger模型仅局限于研究单个点热源或线热源在半无限体表面上滑动的情况，

而对摩擦制动器而言，制动盘和摩擦衬片却是有限厚的，从微观上看，摩擦热是由接触区

域内许多微凸峰接触而产生的，所以此后的研究主要集中在多热源以及热源之间的相互作用对接触表面瞬态温度场的影响。如Ling(Ling,1969)运用表面形貌的随机模型来估算滑动

表面的瞬时温升。WangS(WangS,1994)则对具有分形特征的粗糙表面的滑动摩擦局部温升

进行了研究，提出了界面温度分布的分形理论。Tian和Kennedy的研究(XuefengTian,1993)

指出，实际的滑动接触都是多点离散接触且滑动副物体尺寸都是有限的，在接触微凸体处除了有局部闪现温升作用外，还有名义表面温升的作用。Tirovic(Tirovic,1991)和Day(Day,

1991)，在详细地研究了盘式制动器的压力分布情况后，认为摩擦制动器的摩擦衬片与对偶

件表面之间产生的摩擦热并不是均匀地分布在滑动表面上的，而是取决于局部应力的分布情况。Barber(Barber,1970)则考虑了两接触体主体温度的不同对接触表面温升的影响，提出了名义表面温升的概念，并把分析推广到有多个微凸体接触点对的场合，以此来计算多个热源相互作用时摩擦表面的温度场。该模型被用来解释Ling所述的接触界面的两边温度突变现象。

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Fridrich(Friedrich,1999)等计算复合材料-钢滑动副表面的接触闪现温度时，考虑了复合

材料物理特性的各向异性的因素，提出了复合材料的Pelect常数的定义。认为当Pelec常数

pe0.5，为“低速滑动”问题，可用稳态热传导解法；当Pelect常数pe5则为“高速滑动”

问题，可用瞬态有限元方法来解决。他建立了单个钢微凸体在PEEK或碳纤维-PEEK复合材

料上滑动的模型，该模型假设单位面积上所产生的摩擦热取决于接触应力、摩擦系数和滑动速度。

虽然很多研究从摩擦副粗糙表面出发，研究温度分布，但是却难以将理论研究与大型有限元计算软件进行很好的结合。现在主流的有限元计算软件虽然在计算功能方面越来越

多样化，但是对于表面形貌等微观结构的影响，却依然很难在仿真过程中有很好的体现。本文提出了一种在仿真过程中考虑表面形貌等微观结构影响的仿真方法，该方法具有比一般仿真更高的计算精度。

2.制动器热源模型的建立

在制动过程中，摩擦副的接触运动多处于干摩擦的滑动状态，接触产生的摩擦力主要

由三部分构成：一是在摩擦副相对运动时，双方微凸体顶峰的相互切削阻力；二是在一定

的压应力和局部高温条件下，摩擦副微凸体接触点瞬时粘着，进一步运动时，粘结点分离

的剪切阻力；三是存在于摩擦面的磨粒在随同摩擦运动过程中，不断对摩擦副表面产生切

削也构成了摩擦力的一部分。在制动时的相互摩擦过程中，制动摩擦力所作的功主要消耗

在摩擦表面接触区域内材料塑性变形以及接触点的粘着与剪切，摩擦表面粘结的形成和断

裂将消耗很大的能量，这些能量的大部分转变成热，然后以热的形式散失，占摩擦能量的

主要部分。另一部分，则以内部势能的形式积累在