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降低制动摩擦振动的制动器结构拓扑优化设计

袁琼 唐鹏 李仕生

袁琼,唐鹏,李仕生. 降低制动摩擦振动的制动器结构拓扑优化设计[J]. 机械科学与技术,2021,0(0):1-6 doi: 110.13433/j.cnki.1003-8728.20200227
引用本文: 袁琼,唐鹏,李仕生. 降低制动摩擦振动的制动器结构拓扑优化设计[J]. 机械科学与技术,2021,0(0):1-6 doi: 110.13433/j.cnki.1003-8728.20200227
YUAN Qiong, TANG Peng, LI Shisheng. Topology Optimization Design of Brake Structure to Reduce Friction-induced Vibration and Noise[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering. doi: 110.13433/j.cnki.1003-8728.20200227
Citation: YUAN Qiong, TANG Peng, LI Shisheng. Topology Optimization Design of Brake Structure to Reduce Friction-induced Vibration and Noise[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering. doi: 110.13433/j.cnki.1003-8728.20200227

降低制动摩擦振动的制动器结构拓扑优化设计

doi: 110.13433/j.cnki.1003-8728.20200227
基金项目: 重庆市教委科学技术研究项目(KJQN201903203)
详细信息
    作者简介:

    袁琼(1987−),讲师,硕士,研究方向为车辆系统动力学研究及控制,yq0507@126.com

  • 中图分类号: TH113.1

Topology Optimization Design of Brake Structure to Reduce Friction-induced Vibration and Noise

  • 摘要: 本文建立起某车型盘式制动系统三维有限元模型,分析了该制动系统的摩擦振动噪声特性,并基于ABAQUS/Optimization模块对该制动系统进行结构拓扑优化设计,在满足轻量化的目标要求下改善摩擦振动噪声问题。结果表明:制动系统在摩擦力作用下可能出现四种振动模态,且产生频率为3 632.4 Hz的振动噪声的倾向和强度最大。产生该频率摩擦振动噪声的原因是由于制动钳的第4阶模态频率与制动盘的第11阶模态频率非常接近,在摩擦力作用下容易产生共振。通过对制动钳进行结构拓扑优化设计,移除制动钳两侧区域的材料,使其在满足重量最小的目标前提下将第4阶模态频率降低到2 804 Hz,从而避免与制动盘发生共振,且制动钳的重量减轻了17.1%。进一步采用复特征值分析对结构优化后的制动系统进行摩擦振动噪声特性预测,结果表明制动系统仅有两组相邻模态出现模态耦合现象,且原始制动系统出现的3 632.4 Hz的振动噪声频率已经消失,制动系统摩擦振动噪声问题得到显著改善。
  • 图  1  制动器各零部件示意图与三维有限元模型

    图  2  制动器边界条件与制动载荷设置

    图  3  制动器各零部件自然频率分布图

    图  4  制动系统复特征值分析结果与振动模态图

    图  5  制动钳结构设计区域和结构冻结区域

    图  6  制动钳结构拓扑优化迭代示意图

    图  7  制动钳重量与第4阶自然频率迭代变化曲线

    图  8  制动钳经拓扑优化后的三维结构重构图

    图  9  拓扑优化设计后制动系统复特征值分析结果

    图  10  拓扑优化设计后制动系统振动模态

    表  1  制动器各零部件网格属性与材料参数

    部件网格
    特征
    网格
    数量
    密度/
    (kg·m−3)
    弹性模量/
    MPa
    泊松比
    制动盘C3D8I36 3237 2001800.3
    摩擦片
    (背板)
    C3D8I5 2427 8002000.3
    摩擦片
    (摩擦材料)
    C3D8I11 2872 10040.3
    活塞C3D48 2307 8002000.3
    制动钳C3D473 0307 8002000.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-15
  • 网络出版日期:  2021-05-26

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