制动尖叫最小化模型参数确定与稳定性分析

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在制动尖叫产生机理的研究中,有限元模型和二自由度集中质量最小化模型是两种广泛采用的数值建模方法。有限元模型由于简化少、自由度大,能够模拟形状复杂的盘式制动器零部件,对其进行复特征值分析可以同时得到实际制动器的多阶不稳定模态,但是复特征值分析不能计算振动响应,而有限元瞬态分析又耗时巨大。相比有限元模型,自由度较少的最小化模型更简洁,其复特征值分析和瞬态分析皆高效,易于探究参数影响。目前各类文献中虽已提出多种最小化模型,但如何准确确定其力学参数鲜有文献报道。鉴于此,本文旨在探究一种更准确的最小化模型参数确定方法,以弥补已有文献的不足。  首先,针对某盘式制动器,进行了制动盘模态试验,并以试验结果为标准建立准确的有限元盘-片制动器模型。对有限元模型进行复模态分析,得到制动器的各阶不稳定模态。通过改变盘片接触面之间摩擦系数的值,讨论了各不稳定模态对应的实部值、固有频率和Hopf分叉点随摩擦系数的变化规律。结果表明,具有7条节径的不稳定模态具有代表性,可作为进一步建立最小化模型的参考目标。  然后,针对已有最小化模型的不足,建立了一种二自由度制动尖叫最小化模型。该模型同时考虑了制动盘扭转模态与制动片法向模态。推导了该模型的动力学方程,阐述了用于模型稳定性判定的复特征值算法理论。结果表明,特征值实部大于零时最小化模型不稳定,具有较大制动尖叫倾向性,反之则稳定,尖叫倾向性较小。  接着,为使本文建立的最小化模型的固有频率、Hopf 分岔点以及特征值实部与 7 节径目标模态的相应参数吻合,采用响应面优化方法确定了最小化模型的动力学参数,最终建立了更加准确的最小化模型。结果显示,响应面拟合精度高,误差小。优化后的最小化模型与目标模态耦合特性一致,可为后续尖叫稳定性分析提供更可靠的数值结果。  最后,对最小化模型进行稳定性分析。一方面基于模态耦合机理,采用复特征值法分析质量、刚度、阻尼的变化对耦合特性的影响。结果表明,两个模态的刚度质量比是否接近以及阻尼是否相等对模态耦合影响显著。另一方面进一步结合负斜率摩擦特性机理,利用瞬态分析法计算制动盘转速、负斜率系数和制动压力变化对摩擦系数和模型动态响应的影响。结果表明转速与负斜率系数越低,制动压力越大时,振动响应幅值亦越大,即模型稳定性变差,制动尖叫倾向性越大。
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