某正交异性材料刹车片有限元分析

乔栋1，刘桂林1，武晗2

（1.山西大同大学山西大同037003；2.中国银行山西省分行大同支行山西大同037003）

【摘要】为了让正交异性碳纤维复合材料能更好的应用于工程实际，对某刹车片某型利用有限元分析软件Msc.Marc对其进行了分析，并与理论值进行了对比，为将来的工程实例分析提供一种有效的分析方法。【关键词】正交异性材料；刹车片；有限元分析

OrthotropicmaterialinafiniteelementanalysisofbrakepadsQiaoDong1，LiuGui-lin1，WuHan2

(1.ShanxiDatongUniversityDatongShanxi037003；

2.BranchesindatongofshanxiprovincebranchofbankofchinaDatongShanxi037003)【Abstract】Inorderfororthotropiccarbonfibercompositematerialscanbebetterappliedinpractice,acertaintypeofbrakepadsonafiniteelementanalysissoftwareMsc.Marcanalysiswascarriedoutandcomparedwiththeoreticalvaluesforthefuturethecasestudy,provideaneffectivemethod.【Keywords】Orthotropicmaterial;Brake;Finiteelementanalysis

1.MARC简介Marc软件原为美国MARC公司的产品，该公司创建于1967年，它的创始人是美国著名的布朗大学教授、有限元分析的先驱者PedroMarcel。MARC公司致力于非线性有限元技术的研究、非线性有限元软件的开发、销售和售后服务。经过三十多年的不懈努力，Marc软件得到了学术界和工业界的大力推崇和广泛应用，建立了它在全球非线性有限元软件行业的领导地位。1999年6月，美国MSC公司收购了MARC公司，相应地，将该软件更名为MSC.Marc软件。MSC公司创建于1963年，总部设在美国洛杉矶。MSC.Marc软件具有更广泛的应用范围，已成为解决复杂工程问题，完成学术研究的高级通用有限元软件。一个典型的Marc分析过程包括八个步骤：(1)结构的离散化；(2)选择位移函数；(3)分析单元的力学特征；(4)计算等效节点载荷；(5)整体分析；(6)应用位移边界条件；(7)求解结构平衡方程；(8)计算单元应力。

2.某正交异性材料刹车片计算模型2.1问题描述。本文所分析的是由碳纤维正交异性材料所设计的，如上图所示，厚度为20mm,内弧半径为300mm,圆心角设计为60°。图1刹车片实物图由弹性力学的知识可知，对于单层板问题，我们一般都把它化作弹性半平面来处理，那么我们也采用同样的思路，将刹车片的分析转化为弹性平面问题，将空间的轴对称问题转化为平面应力问题来考虑。2.2有限元分析。本文用大型有限元分析软件msc.marc.mentat2005对其进行分析：图2刹车片简化后计算简图图3立体模型及网格化分第一步：生成有限元网格（meshgeneration）。为了方便有限元模拟结果与理论推导之间进行比较分析，有限元建模时对试件进行建模。模型具有下列特点：(1)结构本身是轴对称的。(2)结构所受的约束是轴对称的3.结构受载是轴对称的，所以我们按轴对称问题进行处理，把空间问题转化为平面问题。内圆弧半径R=300mm，外圆弧半径R=320mm，生成直纹曲面，expend成6×10，点单元数4×30×10。为了便于分析，根据前面所推导的单层板理论，我们可以得知，可以将它化作弹性半平面来处理，将空间的轴对称问题转化为平面应力问题来考虑。故而将模型简化为平面模型：图4平面模型及网格化分作两段弧：R300，R320，分别生成直纹曲面，转换成四节点单元，完成网格划分。内圆弧半径R=300mm，外圆弧半径R=320mm，生成直纹曲面，convert成单元4×30。第二步：.材料特性的定义（meterialproperties）。从宏观上看，碳纤维在环氧树脂中成扁平形式的层片，可看成单层板处理，所以材料特性为正交各向异性材料。由弹性常数的预测及多层板（壳）弹性系数的测定，并应用惠特尼——瑞莱独立模型法就可以得到各弹性系数的值。E11=99.656034GPaU12=0.256G12=7.9453GPaE22=19.9858GPaU23=0.024629G23=9.74476GPaE31=123.544307GPaU31=0.082306G31=5.70989GPaρ=1.63210Kg-9/mm3图5材料定义面板本文所采用的是高性能型碳纤维中的高强度型正交异性材料，它的［σ］=2000MPa。第三步：.边界条件（boundaryconditions）。因为所采用的模型圆心角为60°，相当于1/6圆，所以必须采用约束。约束条件为：(1)使外层节点位移为0。(2)施加压力包括正压力和切向力。第四步：几何特性的定义:(contact)。在几何特性中我们只要选择（实体）即可。第五步：在（载荷工况）中选择（静力分析），选取作业参数并提交运行分析。(loadcase)。为了模拟内部受均步正压力和剪切力的情况，对其内壁施加EDGELODE。第六步：后处理。（1）当施加正压力为300N时，通过计算我们可以得到，此时它的切向力为300N×0.6=180N。（0.6为橡胶与其它材料的摩擦系数）模拟情况如下：图6最大许用应力定义面板图7边界条件的定义图8施加压力面板图9等效应力云图显示图10等效应力数字显示图11在11方向上的应力云图显示图12在11方向上的应力数字显示图13在22方向上的应力云图显示图14在22方向上的应力数字显示图15在12方向上的应力云图显示图16在12方向上的应力数字显示从图7可以看出，当加载正压力为300N，切向力为180N的时候，等效应力最大为1065MPa，没有到达碳纤维的许用应力。通过图9我们可以看出，此模型在11方向上的应力变化比较均匀，而从图13和图15我们可以看出，在22方向上是沿着环向应力逐渐增加，切向力对于模型的影响比较大。通过数字云图12，14和16中我们可以得到，当θ=30°，r=300mm时，它的各个方向的应力如下：σr=494.004，σθ=152.789，τrθ=84.8697。通过对其不断增加压力，按照正压力与切向力为1:0.6的比例，不断的增加，发现当正压力达到375，切向力达到225时，模型等效应力达到1982MPa，接近该材料的许用应力。类似地可以作多组分析，通过弹性力学的知识，对于单层板理论的分析，可将上诉模型通过推到公示(2r2+1300r+1900002θ2)2F=05×10-5(32Fr-1600Fθ)4+24(32Fr-1600Fθ)2(12Fr+3600Fθ)2+1×10-5(12Fr+3600Fθ)4=0进行理论计算，计算结果当θ=30°，r=300mm时，σr=490.103σθ=148.254τrθ=87.563：与数值计算结果非常接近。

4.结论本文针对某正交异性刹车片的实际情况，通过合理简化应用大型通用有限元程序MSC.Marc2005对该模型进行了有限元建模，模拟了静力荷载作用下该模型的受力性能，并对理论计算和数值模拟结果进行了比较，分析了该模型的相关静力力学性能。因此，在工程实践中，通过对实际结构的正确受力分析和计算简图的合理简化，我们可以采用大型通用有限元计算软件MSC.Marc，快速而准确的获得计算结果，为设计和应用提供准确的力学资料。

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［文章编号］1006-7619（2010）04-09-279

［作者简介］乔栋（1981-），男，山西大同人，助教，研究方向：复合材料断裂理论，力学支护。

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