风电制动器的热—结构耦合分析

【摘要】： 风电制动器是风力发电机上的关键部件,当前我国的风电制动器主要依靠进口,市场份额被国外品牌控制。制动器的制动过程是一个涉及到多物理场的复杂过程。研究风电制动器的制动过程,不仅可以更好的了解制动器的摩擦制动机理,而且对打破国外垄断、发展自主民族品牌的制动器也具有重大的意义。 本文以液压厂的SVENDBORG制动器为研究对象,结合热-结构耦合的理论基础,建立了制动器的热-结构的数值模型,并通过该模型分别模拟了制动盘和制动衬片的温度场和应力场,模拟结果揭示了制动盘和制动衬片制动过程中温度、等效应力、温度梯度等的变化及分布规律。 首先,本文介绍了热-结构耦合的基本理论,包括热传导方程的建立、瞬态温度场的有限元法、热应力的有限元计算以及热-结构耦合方法。 然后,建立了制动器温度场的数值模型。根据制动器的工作状况,提出了温度场模型的假设条件。依据制动器的实际结构,在ANSYS软件中,建立了制动盘和制动衬片的几何模型,并根据实际工况确定了模型的初始条件和边界条件。在计算了制动盘的热载荷之后,还确定了各个物理性能参数、运动参数以及热性能参数。 接着,根据前面的温度场的数字模型,用ANSYS有限元软件数值模拟了制动盘和制动衬片的温度场。针对制动器紧急制动时制动盘的旋转运动规律,本文提出了循环迭代的计算方法,用来进行热流密度的加载。模拟结果表明：制动盘的摩擦区域上点的温度分布是从不均匀到均匀,再从均匀到不均匀变化的；而制动衬片的摩擦区域的点的温度的分布在径向方向上呈明显的轮廓线分布。 最后,模拟了制动器的应力场。针对ANSYS一般单元不能实现大转动位移,本文采用184单元刚性梁特性来带动制动盘转动,从而来模拟制动盘的减速运动。在充分考虑温度场和应力场的耦合关系的情况下,本文提出了分步加载的方法来计算制动盘和制动衬片的应力场。应力场的模拟反映：制动盘制动摩擦区域的点的等效应力分布与其温度场的分布基本一致,而制动衬片的应力场分布不同于其温度场分布。 本文的分析方法对模拟制动器的摩擦制动工况具有参考价值。计算分析结果为进一步深刻分析摩擦制动器的温度场和应力场的相互耦合关系、研制高性能的风电制动器提供了基础。 【关键词】：制动器 耦合 温度场 应力场
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 研究制动器的意义10
• 1.3 国内外研究现状综序10-13
• 1.3.1 摩擦表面的温升模型11
• 1.3.2 制动器摩擦表面温度的研究方法11-12
• 1.3.3 制动器摩擦表面的热弹性问题12-13
• 1.4 本文主要研究内容13-15
• 2 制动器的热-结构耦合的理论基础15-23
• 2.1 制动器热传导方程的建立15-17
• 2.1.1 热传导微分方程15-16
• 2.1.2 热传导微分方程的初始条件及边界条件16-17
• 2.2 瞬态温度场的有限元法17-19
• 2.3 热应力的有限元计算19-21
• 2.4 制动器的热-结构耦合方法21-22
• 2.4.1 直接耦合法21
• 2.4.2 间接耦合法21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 3 制动器温度场的数值模型23-33
• 3.1 模型的假设条件23
• 3.2 制动盘和制动衬片的几何模型23-24
• 3.3 制动盘及衬片的初始条件及具体边界条件24-25
• 3.3.1 初始条件24
• 3.3.2 边界条件24-25
• 3.4 制动盘热载荷的计算25-26
• 3.5 相关参数的确定26-32
• 3.5.1 各个材料物理性能参数的确定26-28
• 3.5.2 制动动力及运动参数的确定28-30
• 3.5.3 对流换热系数h30-31
• 3.5.4 辐射热流密度31-32
• 3.6 本章小结32-33
• 4 制动器温度场的模拟33-47
• 4.1 温度场模拟的循环迭代的方法33-36
• 4.1.1 循环方法提出的思路33-34
• 4.1.2 验证循环迭代方法的合理性34-36
• 4.2 温度场的模拟与分析36-46
• 4.3 本章小结46-47
• 5 制动器热—结构应力场模拟47-65
• 5.1 制动器热-结构分析的有限元模型47-49
• 5.1.1 制动器结构的分析模型47-48
• 5.1.2 热-结构耦合分析的方法48-49
• 5.2 制动器热-结构耦合结果及分析49-64
• 5.3 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-69
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况69-70
• 致谢70-72

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