水冷盘式制动器热疲劳失效有限元分析

针对海洋钻井绞车在连续下钻过程中的制动工况,建立了水冷盘式制动器三维热—机耦合分析模型,运用大型有限元分析软件ABAQUS数值模拟了制动器的制动过程,获得了制动盘表面及内部温度场与应力场的分布特征,并以此为基础分析了制动盘热疲劳失效的机理。研究结果表明:连续制动工况下,制动盘的温度场与应力场相互耦合,两者具有相似的变化规律;周向热应力是形成制动盘表面初始裂纹的主要应力分量,在热应力反复作用下,该初始裂纹发展为粗大的裂纹,最终导致制动盘的断裂。分析结果与实际情况吻合较好,从而证明了该分析方法的正确性和可行性。

水冷盘式制动器散热结构优化

为提高水冷盘式制动器散热性能,基于强化对流传热原理,通过添加扰流柱对制动器散热结构进行优化,设计了4种扰流柱散热结构,运用CFD方法模拟制动盘流固耦合传热过程,采用Fluent软件进行热流固耦合仿真计算,获得制动盘温度特性和换热特性以及流动阻力特性,并使用综合性能评价因子对不同扰流柱散热结构进行评价。结果表明:通过在安装盘水槽内添加扰流柱可以有效地提高水冷盘式制动器的散热效果;在相同的工作条件下,正三角形扰流柱散热结构的盘面温度最低,平均努塞尔数与流动阻力最高,其综合散热性能较圆形、椭圆形以及水滴形扰流柱散热结构分别提高了3.4%,2.4%和4.4%,较无扰流柱散热结构提高了6.7%,正三角形扰流柱散热结构具有更好的综合散热性能。研究结果为水冷盘式制动器散热结构的优化设计提供了参考。

基于拟水平正交试验法的水冷盘式制动器散热性能优化

为提高水冷盘式制动器的综合散热性能,采用CFD方法对制动器的流固耦合传热过程进行数值模拟,通过单因素试验与拟水平正交试验,以综合散热性能评价因子I为指标,对制动器相关结构参数进行优化。研究结果表明:扰流柱顶部与静盘间距、扰流柱边长、扰流柱径向分布数量、安装盘水槽深度、扰流柱周向分布数量对制动器综合散热性能均有影响,其中扰流柱顶部与静盘间距对综合散热性能的影响最为显著;通过正交试验得到了性能较好的参数组合,优化后制动器的综合散热性能,较无扰流柱结构提升了27.59%,较优化前的结构提升了21.41%。