[发明专利]一种高性能跑车风道刹车盘渐开线的开孔方法

权利要求书

1.一种高性能跑车风道刹车盘渐开线的开孔方法，其特征在于：它包括以下由计算机执行的步骤：

(a)确定刹车盘为高性能跑车的风道刹车盘

(b)收集并确定刹车盘的基本结构参数

所收集的基本参数包括：盘周外径、盘周内径、盘周厚度、盘帽外径、盘帽内径、盘帽高度、风道厚度、风道高度、转速；

(c)设计刹车盘风道

设计刹车盘的内部风道结构，为了延长换热时间和扩大换热面积采用渐开线式的风道；

(d)确定刹车盘开孔方式

开设的通风孔沿渐开线的参数方程，渐开线的参数方程为：

x＝r_b×cos(θ_k)+r_b×rad(θ_k)×sin(θ_k)，y＝r_b×sin(θ_k)-r_b×rad(θ_k)×cos(θ_k)；

然后收集渐开线方程的参数，式中：r_b为渐开线上的所开设的通风孔的基圆半径，此处以盘帽外径为基圆即r_b，θ_k为渐开线上k点的展角；

(e)刹车盘开孔结构分析

(e1)考虑温度载荷及物理环境

针对刹车盘的对流散热以及辐射散热，刹车盘对流与辐射散失的热能占总摩擦产生热能的比重为η，根据能量守恒定律，制动后刹车盘对流与辐射散热的热能Q_t，表示为:

收集刹车盘动能摩擦生热转化为热能的参数，主要包括：刹车盘对流与辐射散热所占的比重η、刹车盘的质量M、刹车盘的线速度v_c，刹车盘的转动惯量J_z；

(e2)进行散热分析

刹车盘散热过程，刹车盘可近似看做圆盘，根据圆盘的转动惯量刹车盘的线速度v_c＝ωR，其中刹车盘的转速ω＝2πn，刹车盘外径R，转速n，整理后得热能为：Q_t＝3ηMπ²n²R²；

(e3)设定通风孔的开孔距离

先令通风孔的半径r_j不变，开孔位置距离刹车盘的旋转中心的距离为d_j，j取值为1、2、3，此距离从盘周内径向外依次增大，先设置d₁；

(e4)载入物理环境，施加温度载荷

盘式制动器在制动过程中，制动器摩擦产生热能最终通过对流和辐射散热形式耗散在周围空气中，热对流是指固体与和它接触的周围流体之间由于温度梯度的影响而发生的热量交换过程，热对流的计算式用牛顿冷却方程来表达为：q₁＝h_c(T_w-T_f)，对流换热系数为刹车盘通风孔过渡流换热公式努谢尔数为

然后收集刹车盘对流换热相关的热物理参数，主要包括：刹车盘温度T_w，空气温度T_f、空气导热系数λ_f、雷诺数Re，空气的流速v＝2πnR，空气密度ρ，空气黏性系数μ、普朗特数Pr、通风孔半径r_j，刹车盘开设通风孔厚度z；

辐射换热由于自身温度的影响，物体以电磁波的形式辐射出能量，这些能量被其他物体吸收后而转变成热的热量交换过程，通常用斯蒂芬·波尔兹曼方程来描述此热量传递：q₂＝εσAF₁₂(T₁⁴-T₂⁴)；

然后收集刹车盘辐射换热相关的热物理参数，主要包括：辐射换热系数ε、玻尔兹曼常数σ、A辐射表面积、辐射面形状系数F₁₂、刹车盘的绝对温度T₁、空气的绝对温度T₂；

盘式制动器在制动过程中，刹车盘上的边界条件为:

初始条件：t＝0时，T(x，y，z，t)＝T_f

在换热界面上：

在摩擦界面上：

然后收集刹车盘热物理性能，主要包括：T_f为环境温度，即空气温度、n为界面法向的单位向量、h_c界面对流换热系数、ε界面辐射换热系数、玻尔兹曼常数σ、刹车盘热流密度q₁、A辐射表面积；

刹车盘开设的通风孔的圆柱面也会辐射，则刹车盘周上在j环的辐射面积：A＝π[R_w²-R_n²-mr_j²+2mr_jz]，其中盘周外径R、盘周内径R_n、通风孔距离刹车盘旋转中心的距离d_j，通风孔的半径r_j，同一半径d_j上的通风孔个数m＝12；

(e5)计算散热参数，提取温度场

刹车盘内部的温度分布取决于其内部的热量流动和物体与外部的热量交换，在刹车盘盘周每个点的温度与该点都是对应的，所以建立以制动盘回转中心为原点，回转轴为z轴的三维温度场T(x,y,z,t)，满足如下三维瞬态温度场无内热源的热导微分方程：对于刹车盘，其为各向同性材料，故各个方向上的导热系数相同，上述方程可化简为：

然后，收集刹车盘的热物理性能参数，主要包括：材料密度ρ、材料比热c、导热系数λ、T为温度、t为时间，将上述所计算的换热系数输入到ANSYS软件中，进行温度场的计算，并提取结果；

(e6)对散热结果进行分析

使用ANSYS有限元软件，通过对刹车盘刹车散热过程的模拟，提取出温度场，对散热后的刹车盘温度场的结果进行分析；

(e7)散热结果是否为优

判断散热结果是否较优，温度场的变化是否会对盘帽等位置应力场有影响，若综合结果为优，则输出最优结果，否则令d＝d+Δd，再次进行迭代，直至较优解的出现；

(e8)输出开孔距离d

将散热结果较优的开孔距离d₁输出；

(e9)设置通风孔的半径r

此时在通风孔距离较优解d₁不变的情况下，改变通风孔的大小r₁；

(e10)施加温度载荷

此处温度载荷与步骤(e1)中的的热量温度载荷相同，制动后刹车盘对流与辐射散热的热能Q_t表示为:

(e11)计算散热参数

对流换热的热流密度计算公式使用步骤(e4)牛顿冷却方程：q₁＝h_c(T_w-T_f)，对流换热系数刹车盘通风孔过渡流换热公式努谢尔数为辐射换热的热流密度用斯蒂芬·波尔兹曼方程来描述：q₂＝εσAF₁₂(T₁⁴-T₂⁴)，对于刹车盘周上在j环的辐射面积：A＝π[R_w²-R_n²-mr_j²+2mr_jz]，所用到的参数和计算结果在步骤(e4)中已进行计算；

(e12)提取温度场，并对散热结果进行分析

根据所计算出的散热参数，使用ANSYS软件进行计算，然后提取温度场，对提取的温度场结果进行散热分析；

(e13)散热结果是否为优

判断散热结果是否较优，若结果为优，则输出最优结果，否则令r＝r+Δr，进行迭代，直至最优解的出现；

(e14)输出通风孔位置d和半径r

最后输出通风孔的位置d₁和半径r₁，并结束这一组的运算；

重复步骤e1-8和e9-14,得到余下的两组通风孔数据；

(f)判断开孔是否满足最优散热方法

根据多组模拟出的温度场进行对比分析，判断开孔位置d及开孔的大小r能否满足最优散热方法，若满足则进入步骤(g)，否则重新确定开孔参数；

(g)输出设计性能较优的刹车盘参数。