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基于熱衰退工況的制動冷卻仿真技術2

2021-02-26 17:35:10·  來源：中汽中心空氣動力學實驗室  作者：CATARC-AERO  
　
本次將具體介紹團隊開發(fā)的熱衰退工況下的制動冷卻仿真新技術。該技術運用Starccm+的co-simulation功能，通過合理建立流體與固體兩個計算域以及計算域間流場與溫
本次將具體介紹團隊開發(fā)的熱衰退工況下的制動冷卻仿真新技術。該技術運用Starccm+的co-simulation功能，通過合理建立流體與固體兩個計算域以及計算域間流場與溫度場的數(shù)據(jù)映射策略，耦合各計算域中質量、動量以及能量傳遞的相關計算。其中，流體計算域的結構如圖1所示，計算域中包含有待測車輛的半車CFD模型。該模型包括所有影響該車輛空氣動力學性能的部分并最大程度的保留了制動器各部件及輪胎，輪輞處幾何細節(jié)。同時，為考慮車輪與剎車盤附近氣流的旋轉效應，將剎車盤的通風道與輪輞輻條單獨劃分子區(qū)域并運用多重參考坐標（MRF）法設置區(qū)域轉速。
 
圖1. 流體計算域結構
與流體計算域不同，固體計算域僅包含剎車盤、剎車片、制動鉗、防塵擋板、輪轂、轉向節(jié)等待測車輛制動系統(tǒng)中涉及摩擦熱量產(chǎn)生及傳遞的重要零部件，如圖2所示。其中，各部件之間按實際裝配狀態(tài)設置接觸，并為剎車盤、輪轂等發(fā)生實際旋轉的部件設置剛體轉速。
圖2. 固體計算域結構
 
接著，構建熱衰退工況各循環(huán)中車輛的行駛速度及剎車盤等旋轉部件轉速的變化模型。如圖3所示，將各循環(huán)分解成“減速-停止-加速-恒速”四個連續(xù)時段且假定減速與加速時段中測試車輛的減速度與加速度維持恒定，用式（1）描述各循環(huán)中剎車盤角速度w（i）隨測試時間的變化：
其中，
 
R：車輪半徑。
圖3. 熱衰退工況速度變化周期
 
根據(jù)式（4）計算剎車盤與剎車片表面熱通量，為固體域中剎車片與剎車盤摩擦面需設置熱通量邊界條件，
最后，采用數(shù)據(jù)映射法進行流固雙計算域耦合計算。如圖4所示，該方法通過合適的流、固計算域數(shù)據(jù)映射策略實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流體計算與瞬態(tài)固體計算的耦合。以流體計算域的穩(wěn)態(tài)計算作為起始計算，當計算結果達到收斂條件后，將制動零部件表面對流換熱系數(shù)（HTC）及附近流體溫度的結果映射到固體計算域中作為其在某時刻的初始邊界條件。隨后，發(fā)起固體計算域的瞬態(tài)計算，并在經(jīng)過一定計算時間后，將制動零部件表面溫度結果數(shù)據(jù)映射回流體計算域中，由流體計算域進行下一次穩(wěn)態(tài)計算。該過程持續(xù)進行直至固體計算域計算至測試結束時間點為止。耦合仿真過程中規(guī)定，
 
 
圖4：雙計算域耦合計算流程
 
為驗證仿真結果的準確性，團隊進行了實際道路測試，測試車輛及該車制動系統(tǒng)各零部件的幾何特征均與仿真計算域中的描述相一致。圖5展示了測試過程中的車輛行駛速度變化曲線，其中可獲得表1所示的關鍵時間節(jié)點，可用于確定各循環(huán)內減速與加速時段的速度變化率。
圖5. 車速監(jiān)測數(shù)據(jù)圖
 
表1. 時間節(jié)點
 
 在進行完整測試過程的仿真之前，團隊先對模型中的可調節(jié)參數(shù)nd（i）與na（i）進行了參數(shù)敏感性分析。這兩個參數(shù)分別描述了仿真過程中各減速段與加速段的場數(shù)據(jù)交換頻率，由于此次試驗中各熱衰退循環(huán)過程十分接近，故敏感性分析可只針對第一循環(huán)展開。進行敏感性分析的目的在于找到這兩個參數(shù)的最優(yōu)設定。很明顯，nd（i）與na（i）的值越小，仿真結果的準確性越高，但計算用時也會顯著增加?？紤]到仿真精度與計算資源消耗的平衡，并結合分析結果，兩個參數(shù)的最優(yōu)值為nd（i）=2與 na（i）=40。可以看出，nd（i）與 na（i）nd（i）的最優(yōu)值具有較大差異，這是由于制動熱量只在各減速段產(chǎn)生，且各加速段用時普遍大幅長于各減速段，故仿真過程中各加速段的場間數(shù)據(jù)交換頻率可大幅低于各減速段。從圖6可以看出，即便仿真過程中并無任何關于摩擦應力的實質計算，仿真結果依舊能還原出真實制動過程中剎車盤摩擦面上熱量的生成及傳遞方式以及摩擦面上溫度的非均勻分布特性，在兼顧計算效率的同時確保仿真結果的準確度，這是傳統(tǒng)仿真方法所不具備的優(yōu)點。
 
圖6. 剎車盤表面溫度仿真結果
 
隨后，我們將仿真結果與試驗結果進行比對。圖7展示出了熱電偶埋入位置上仿真結果與試驗數(shù)據(jù)的對比?？梢钥吹剑撐恢蒙蠝囟入S時間變化的仿真結果在大體趨勢上與試驗監(jiān)測結果相吻合，但在各循環(huán)制動冷卻階段的早期（即te（i）d（i+1）），該處仿真溫度的下降速率明顯高于測量結果。造成此偏差的原因主要是熱電偶的響應延遲（即熱惰）效應，而隨著制動冷卻過程的進行，該效應的影響也逐漸降低，當長達幾十秒的冷卻過程結束時（即t=td（i+1）），該效應對溫度監(jiān)測的影響可基本忽略，此時刻仿真與試驗結果的偏差均小于10ºC。由此可見該仿真方法對于熱衰退工況下剎車盤的制動冷卻能力（即溫度變化）具有極強的預測能力。
圖7. 熱電偶處仿真溫度變化與路試監(jiān)測值對比
 
至此，基于熱衰退工況的制動冷卻仿真新技術的提出及驗證過程已基本介紹完畢，更為詳盡的內容可參考團隊發(fā)表的SAE文章[1]。相比于傳統(tǒng)仿真方法，該方法在計算效率的提升上效果明顯。未來，團隊將集中在如何運用該方法對具體車型剎車盤的制動冷卻性能進行優(yōu)化，并研究各優(yōu)化方案對于該車其他空氣動力學特性（如風阻，風噪等）的影響。在今后的推送中，我們將對研究進展及成果進行更為詳細的介紹，敬請期待。
參考文獻
[1] Zhang, Y., Liu, X., and Wang, H., “On a Novel Simulation Approach for Estimating the Cooling Performance of Automotive Brakes under the Scenario of Fading Stop Cycles,” SAE Technical Paper 2021-01-5018, 2021, doi:10.4271/2021-01-5018.
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