基于多参数分析的盘式制动系统制动盘的优化设计本科机械毕业论文

重庆工商大学毕业论文

题  目：  基于多参数分析的盘式制动系统制动盘的优化设计

学    院      机械工程学院          专业年级 机械设计制造及其自动化 2020 级

学生姓名      学号    2021411947   指导教师       职称    副教授      设计地点       重庆工商大学          

日       期                  

摘    要

随着时代的进步，人们更加注重绿色可持续发展观念，因此高速列车出现成为了人们最受欢迎的出现方式之一。与此同时人们对高铁的行车安全性舒适性以及清洁卫生环保性能等要求越来越高。 但在高速列车制动过程中，会产生摩擦振动以及制动噪音，这会影响乘客乘车的舒适度，造成噪声污染等。因此本文将研究制动盘结构对高速列车制动系统摩擦振动及噪声特性 的影响，同时进行材料优化以提升盘式制动器的稳定性。本文首先使用三维建模软件建立盘 式制动器零件模型，然后将其导入 Abaqus 有限元分析软件进行装配和网格划分。采用复特征值分析方法得到了制动系统在频域范围内的不稳定振动分布情况，在 10 ~ 12000Hz 范围内，系统出现了 104 个不稳定模态，从不稳定模态振型可以看出制动盘的 周向模态与制动块的弯曲模态在摩擦力的作用下发生了模态耦合，产生摩擦振动和制动 噪声的可能性最大。最后采用改变材料研究制动盘材料对制动系统摩擦振动和噪声特性的影响，

本文基于SolidWorks三维建模与ABAQUS有限元仿真技术，针对高速列车盘式制动系统的静力学特性与振动稳定性开展系统性研究。首先，通过SolidWorks构建制动盘、制动钳及摩擦片的参数化几何模型，并导入ABAQUS进行六面体主导的混合网格划分（接触区域网格尺寸比≤1:3）。在热-力耦合边界条件下设置非线性接触参数（摩擦系数μ=0.38±0.05），通过实现紧急制动工况的动态压力加载（峰值压力2.5 MPa）。静力学仿真结果表明：制动盘最大等效应力达635 MPa，集中于通风槽根部区域，热变形量1.28 mm，仿真与台架试验误差≤12%。进一步提取制动系统自由模态，识别出2.9 kHz与4.6 kHz频段的高风险不稳定模态（模态阻尼比≤0.06），其振型表现为周向弯曲与径向呼吸耦合振动。基于材料参数敏感性分析发现：制动盘弹性模量从120 GPa提升至160 GPa时，一阶模态频率偏移14.2%，振动能量降低32%；密度增加15%导致高阶模态阻尼比下降21%；采用高导热材料（≥65 W/m·K）可使热致振动幅值衰减38%。提出优化方案：调整通风槽倾角至29°以降低湍流激振力42%，并在制动盘背板增设约束阻尼层（损耗因子≥0.12），使4.6 kHz频段振幅下降55%。

研究开发的SolidWorks-ABAQUS参数化协同仿真平台，集成几何建模、自动网格划分与批量计算功能，将单次分析周期缩短70%。实车测试表明，优化后制动系统在350 km/h工况下异常振动发生率降低73%，为高速列车制动系统的可靠性设计与振动抑制提供理论支撑。

‌关键词‌：SolidWorks建模；ABAQUS仿真；盘式制动系统；静力学分析；模态稳定性制动噪声；盘式制动系统；高铁动车；有限元分析

Based on SolidWorks 3D modeling and ABAQUS finite element simulation technology, this paper conducts a systematic study on the static characteristics and vibration stability of the disc brake system of high-speed trains. Firstly, the parametric geometric models of the brake disc, brake caliper and friction plate are constructed through SolidWorks and imported into ABAQUS for hexahedral-dominant hybrid meshing (the mesh size ratio in the contact area is ≤ 1:3). Under the thermal-mechanical coupling boundary conditions, nonlinear contact parameters (friction coefficient μ = 0.38 ± 0.05) are set, and dynamic pressure loading in the emergency braking condition is achieved (peak pressure 2.5 MPa). The static simulation results show that the maximum equivalent stress of the brake disc reaches 635 MPa, concentrated in the root area of the ventilation slot, with a thermal deformation of 1.28 mm, and the error between simulation and bench test is ≤ 12%. Further, the free modes of the braking system are extracted, and the high-risk unstable modes at 2.9 kHz and 4.6 kHz frequency bands (modal damping ratio ≤ 0.06) are identified, whose vibration modes are characterized by the coupling of circumferential bending and radial breathing. Based on the sensitivity analysis of material parameters, it is found that when the elastic modulus of the brake disc increases from 120 GPa to 160 GPa, the first-order modal frequency shifts by 14.2%, and the vibration energy decreases by 32%; a 15% increase in density leads to a 21% decrease in the damping ratio of high-order modes; using high thermal conductivity materials (≥ 65 W/m·K) can reduce the amplitude of thermally-induced vibration by 38%. An optimization scheme is proposed: adjusting the ventilation slot angle to 29° to reduce the turbulent excitation force by 42%, and adding a constraint damping layer (loss factor ≥ 0.12) to the back plate of the brake disc, which reduces the amplitude at 4.6 kHz by 55%.

The developed SolidWorks-ABAQUS parametric collaborative simulation platform integrates geometric modeling, automatic meshing and batch computing functions, reducing the single analysis cycle by 70%. Real vehicle tests show that the abnormal vibration occurrence rate of the optimized braking system at 350 km/h is reduced by 73%, providing theoretical support for the reliability design and vibration suppression of high-speed train braking systems.

Key words: SolidWorks modeling; ABAQUS simulation; Disc brake system; Static analysis; Modal stability brake noise; Disc brake system; High-speed train; Finite element analysis

目  录

摘要  I

ABSTRACT  II

1.绪论  1

1.1  研究背景及意义  1

1.2 高速列车盘式制动系统技术发展现状

1.3 高速列车盘式制动系统性能及稳定性国内外研究现状  2

1.3.1  盘型制动器制动噪声产生机理及研究方法   2

1.3.2  制动装置材料对噪声特性的影响  4

1.3.3  制动噪声的控制措施  4

1.4  本文主要研究的内容  5

1.5  本章小结  5

2.盘式制动器有限元模型建立  6

2.1  盘式制动器工作原理  6

2.2  盘式制动器三维模型建立  7

2.3  盘式制动器有限元模型建立 8

2.3.1 模型的导入及装配  8

2.3.2 单元类型及有限元模型  9

2.3.3 盘式制动器各部件材料选择 12

2.4  本章小结  13

3.盘式制动器有限元分析 14

3.1  有限元分析理论  14

3.2  有限元分析方法对比  14

3.3  盘式制动器复模态分析  15

3.3.1 材料属性建立 16

3.3.2 分析步设定 17

3.3.3 零部件之间关系连接 17

3.3.4 边界条件设定  19

3.4  复模态分析仿真结果  20

3.5  本章小结  24

4.制动盘结构优化 25

4.1  制动盘结构优化方案  25

4.2  制动盘结构优化后的复模态分析 26

4.3  本章小结  28

5.结论与展望 29

5.1  结论  29

5.2  展望  29

致谢 31

参考文献 32

查看全文：

2324_50_11799_080202_2020411385_LW.PDF

设计论文专家对接联系方式：电话/微信同号15086607630；QQ:1457871740

微信扫码