تحلیل انتقال حرارت بر اثر اصطکاک در ترمز دیسکی توسط آباکوس

هدف آموزش: در این آموزش شما با نحوه تعریف ضریب اصطکاک در آباکوس، تولید حرارت بر اثر اصطکاک در آباکوس، نحوه تعریف سرعت دورانی در آباکوس، ثبت خروجی در حوزه زمان در آباکوس و تحلیل ترمز دیسکی در آباکوس آشنا خواهید شد.

صورت مسأله تحلیل ترمز دیسکی در آباکوس

ترمزهای دیسکی به دسته‌ای از ترمزها اطلاق می‌شود که در آن پدها یا لنت‌های ترمز به کمک یک پیستون تعبیه شده در مجموعه، بر دو طرف دیسک متصل به چرخ یا اکسل فشار وارد می‌کند و در اثر اصطکاک ایجاد شده بین قطعات، عمل ترمزگیری و توقف انجام می‌شود. اصطکاک بین پد یا لنت و دیسک سبب تولید حرارت در مجموعه می‌شود که با افزایش چشمگیر دما عملکرد ترمز را تحت تأثیر قرار می‌دهد (آشنایی با ترمزهای دیسکی).

این تمرین آموزشی آباکوس به شما کمک خواهد کرد تا اثرات اصطکاک و نحوه مدل‌سازی اثرات این پدیده در Abaqus را شبیه‌سازی کنید. در این مثال، یک ترمز دیسکی با سرعت دورانی اولیه با یک لنت یا پد تماس پیدا می‌کند. نیروی اصطکاک سبب می‌شود تا انرژی جنبشی دورانی دیسک به حرارت تبدیل شده و دمای دیسک افزایش یابد.

در گام اول به دانلود فایل مدل مسئله که با فرمت آباکوس 6.14 تهیه شده بپردازید. توجه داشته باشید فایل زیر حاوی هندسه مونتاژ شده هر دو قطعه دیسک و لنت به همراه شبکه‌بندی اجزای محدود است. از این‌رو نیازی به مراجعه به ماژول Mesh و شبکه‌بندی قطعات نخواهید داشت. همچنین از آن‌جایی که مسئله در راستای ضخامت دیسک دارای تقارن است (مطابق توضیحات بالا، لنت از هر دو سو دیسک را تحت فشار قرار می‌دهد) از مدل ½ برای تحلیل استفاده شده است.

• ◄ حوزه کاربرد: مهندسی مکانیک، مهندسی خودرو
• ◄ اطلاعات بیشتر: Simuleon.com، www.3ds.com
• ◄ تذکر: دانلود فایل cae و inp مسئله تحلیل ترمز دیسکی در آباکوس از لینک زیر:

دانلود فایل‌ CAE

دانلود فایل‌ inp

حل مسئله تحلیل ترمز دیسکی در Abaqus

با کلیک بر روی فایل بالا، روند مدل‌سازی مسئله در آباکوس را آغاز نمایید. همانطور که در بخش قبل نیز اشاره شد، فایل cae مورد نظر حاوی هندسه هر دو قطعه دیسک و پد (لنت) است. از این‌رو می‌توانید بدون ایجاد تغییر در ماژول Part به ماژول Property وارد شوید.

تعریف خواص ماده و سطح مقطع در ماژول Property

در این مسئله فرض می‌کنیم هر دو قطعه دیسک و پد از جنس آلومینیوم و با خواص یکسان باشد. از آن‌جایی که قصد تحلیل انتقال حرارت در اثر اصطکاک مجموعه را نیز داریم باید خواص حرارتی آلومینیوم را نیز وارد نماییم. مطابق راهنمای تصویری زیر به شکل گام به گام به تعریف خواص مورد نظر بپردازید. در هر شکل مسیر تعریف کمیت و واحد مورد نظر (واحدها و درجات آزادی در آباکوس) برای آن درج شده است.

• تعریف خواص الاستیک آلومینیوم در آباکوس

• تعریف ضریب هدایت حرارتی Al در آباکوس

• تعریف گرمای ویژه Al در آباکوس

• تعریف چگالی آلومینیوم در آباکوس

با انجام گام‌های فوق، در نهایت شکلی مانند زیر مشاهده خواهید کرد.

در ادامه، مطابق تصویر زیر در ماژول Property آباکوس سطح مقطعی از نوع Solid همگن (Homogeneous) ایجاد کرده و به هر دو قطعه اختصاص دهید.

از آن‌جایی که هندسه هر دو قطعه در مختصات صحیح ترسیم شده، می‌توانید بدون تغییر خاصی در ماژول Assembly به بررسی کلی مجموعه بپردازید و برای ادامه حل وارد ماژول Step شوید.

انتخاب حلگر در ماژول Step

با توجه به ماهیت دینامیکی مسئله باید از حلگر دینامیک مناسب در حل مسئله استفاده کنیم. همچنین از آن‌جایی که قصد در نظر گرفتن تولید حرارت ناشی از اصطکاک در این مثال را داریم، حلگر انتخاب شده باید قابلیت تحلیل این پدیده را نیز داشته باشد. از این‌رو، مطابق شکل زیر به تعریف حلگر Dynamic, Temo-Disp, Explicit با زمان 0.1 s بپردازید.

همچنین در بخش Field Output مانند شکل زیر، خروجی‌های دمایی مورد نظرتان را برای ثبت، فعال نمایید (آشنایی با تعیین پارامترهای خروجی در آباکوس).

تعریف شرایط اولیه و مرزی در ماژول Load

در ادامه حل، وارد ماژول Load شوید و مطابق مراحل تصویری زیر، گام به گام به تعریف شرایط اولیه و مرزی برای مجموعه دیسک و لنت بپردازید.

• تعریف تقارن در راستای محور z مطابق توضیحات بالا

مانند شکل زیر، سطج پشتی دیسک را انتخاب و قید Symmetry در راستای محور z را اعمال کنید( پس از انتخاب سطح مورد نظر، در پنجره باز شده گزینه ZSYYM را انتخاب نمایید):

• ثابت کردن مرکز دیسک برای دوران

هر دو نقطه موجود در مرکز دیسک (صفحه جلویی و پشتی) را انتخاب کرده و مانند شکل زیر به تعریف قید Encastre برای آن بپردازید:

• مقید کردن پد یا لنت

مطابق راهنمای تصویری زیر، سطح رویی پد را انتخاب و درجات آزادی U1 و U2 را فیکس کنید.

• اعمال فشار به سطح لنت (فشار ناشی از نیروی ترمز)

در ادامه، با هدف وارد کردن فشار بر سطح رویی لنت، گزینه Pressure را انتخاب کرده و در پنجره باز شده مقدار 10 را وارد نمایید. از آن‌جایی که حلگر Explicit را برای تحلیل انتخاب کرده‌اید، نیاز دارید تا Amplitude مناسبی برای مسئله تعریف نمایید. می‌توانید در این قسمت Amp-1 را که به شکل پیش فرض در فایل cae تعبیه شده به آباکوس معرفی کنید.

• تعریف دمای اولیه مجموعه ترمز دیسکی

برای تعریف دمای اولیه در مجموعه دیسک و لنت از Predefined Field استفاده خواهیم کرد. پیشتر و در پستی جداگانه به معرفی مفهوم Predefined Field و نحوه اعمال آن در آباکوس پرداخته‌ایم (آشنایی با Predefined Field در آباکوس). دمای مجموعه دیسک و لنت برابر 20 درجه سانتی‌گراد فرض شده است.

• تعریف سرعت اولیه دوران برای دیسک

مطابق توضیحات مندرج در صورت مسئله، دیسک‌های ترمز به مجموعه چرخ یا اکسل‌ها متصل است؛ از این‌رو دیسک با سرعتی مطابق سرعت دورانی چرخ در حال دوران است. لذا برای اعمال سرعت اولیه به دیسک، مطابق شکل زیر از گزینه Predefined Field استفاده و مقدار سرعت دورانی 100 رادیان بر ثانیه حول محور z را وارد کنید. توجه داشته باشید برای ناحیه اعمال سرعت، باید Set از پیش تعریف شده در فایل cae با نام DISK-1.SET-VELOCITY را انتخاب نمایید (آشنایی با مفهوم Set در آباکوس)

تعریف خواص تماس در ماژول Interaction

• تعریف خواص تماسی

حال می‌توانید برای تعریف خواص تماسی و همچنین مشخص کردن سطوح درگیر وارد ماژول Interaction شوید. در ابتدا مانند شکل زیر، خواص مماسی و نرمال تماس را تعیین نمایید:

در ادامه، با هدف در نظر گرفتن تولید حرارت در اثر اصطکاک و از مسیر Thermal → Heat Generation در پنجره باز شده، بدون تغییر پیش‌فرض‌ها به تعریف این موضوع بپردازید.

• تعریف سطوح درگیر و نوع تماس

با توجه به نوع مسئله، یک تماس Surface-to-Surface تعریف کرده و مطابق تصاویر زیر، سطح رویی دیسک را به‌عنوان Master و سطح پشتی پد یا لنت را به‌عنوان Slave در نظر بگیرید.

با انجام مراحل فوق، عملاً مسئله برای حل توسط آباکوس آماده شده است. برای محک زدن پایداری آخرین نسخه از نرم‌افزار آباکوس، تصمیم گرفته شد که این مسئله با نسخه آباکوس 2017 حل شود (آموزش نصب آباکوس 2017).

ثبت نمودارهای خروجی از تحلیل

پیش‌نیازها: آموزش رسم نمودار در آباکوس

• نمودار سرعت – زمان در لبه دیسک

یکی از جذاب‌ترین نتایج این تحلیل، مدت زمان توقف کامل دیسک در اثر نیروی ترمزی اعمالی به لنت است. از این‌رو برای یکی از نقاط لبه دیسک، نمودار سرعت بر حسب زمان رسم شده که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید:

به‌عنوان یک تمرین می‌توانید ضریب اصطکاک تعریف شده در گام‌های قبل را افزایش یا کاهش دهید و زمان توقف دیسک را مشاهده کنید. تجربیات خود را با ما در میان بگذارید.

• نمودار دما – زمان برای سطح لنت

همچنین با توجه به ثبت نتایج دمایی در تحلیل و لحاظ کردن اثرات تولید حرارت اصطکاکی، می‌توان نمودار دما – زمان را برای یک نقطه از سطح لنت ترمز رسم کرد. نمودار مورد نظر برای این تحلیل نیز در شکل زیر نشان داده شده است.

• کانتور حرارتی در تحلیل ترمز دیسکی توسط آباکوس

انیمیشن زیر کانتور دمایی در تحلیل انتقال حرارت بر اثر اصطکاک در ترمز دیسکی توسط آباکوس را نشان می‌دهد (این تحلیل با ضریب اصطکاک 0.03 انجام شده است؛ به نمودار دما – زمان فوق و کانتور زیر دقت کنید تا فرآیند کاهش دما را درک کنید).

منبع: آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک