有限元法在分析制动盘损坏原因中的应用

潘少猷，冯 浩，张志勇，陈建国

（1.司法部司法鉴定科学技术研究所，上海 20063；2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240）

道路交通事故中的主要参与物就是人、车、路。从处理事故的司法角度来看，搞清事故起因是一个非常重要的问题。在事故现场，车辆或多或少都会有一些部件损坏。若事故是由这些部件的突发性故障而引起的，则一般可以定性为意外事故。有限元法在工程设计领域已获得了广泛的应用，其同样适用于交通事故中部件损坏原因的鉴定。本文主要通过一起对制动盘的损坏原因进行技术鉴定的案例，阐述有限元法在此类型鉴定中的应用思路及方法。

1 有限元法简介

有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，其在工程分析方面获得广泛应用。它利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，其思路是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，并承受一定的载荷，这样就组成了有限单元集合体。由于有限元的分割和节点的布置非常灵活，它可以适用于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件。一般工程设计中有限元的分析流程（如图1所示）。

图1 有限元的分析流程

2 车辆部件损坏的特点

要分析车辆部件的损坏原因，需要考虑其材质、结构、工作特性等方面，是一个相对复杂、综合的鉴定项目。要想确定该部件不同受力状态下的力学特性尤为困难，这主要是因为车辆部件的形状往往是由多个简单几何体的复合、叠加而成。如果用人工计算方法对这些部件的力学特性进行分析，将面临计算量大、计算精度差的问题。但借助计算机辅助的有限元法，能较快速、准确地计算出结果，并以图形化的方式显示出来。下文以一起交通事故为例，介绍如何通过有限元法对损坏的制动盘进行力学分析，以帮助鉴定该起事故的起因。

3 事故背景情况

据委托方提供的信息，当事人声称车辆在国道正常行驶过程中，突然右后轮制动盘断裂，制动盘主体断落砸破右后轮钢圈，从而引发事故。经检验发现，车辆右后轮整体脱落，车身多处见与事发路段地面及路边土坡碰撞的痕迹。由此分析，本起事故的存在两种可能性。一种确实如当事人所说，制动盘先行断裂。另一种则有可能是制动盘在车体侧向与现场固定物碰撞中造成了损坏。

对车辆右后轮制动盘的破损情况进一步检验发现，其制动盘主体与法兰断离，断口位置如图2制动盘外观照所示，基本位于制动盘主体与法兰连接处，并有一定对称分布特征。

图2 制动盘外观照

在专业的材料鉴定机构进行断口分析后，基本排除制动盘材料本身存在缺陷的可能性。那就希望能从该制动盘的力学特性方面，分析出断裂形成的原因。

4 制动器结构及工作原理

发生事故车辆的右后轮采用浮钳盘式制动器，其主要由钳体、制动钳支架、活塞、制动块和制动盘等零部件组成。该类型制动器总成的几何模型图（如图3所示）。

图3 浮钳盘式制动器总成的几何模型图

制动钳体与活塞对应的部位设置有液压缸，并配有进油口。制动器不工作时，各零部件保持图4中的状态。制动块基本贴合在制动盘面上，但制动块对制动盘不产生加紧力。

图4 制动器不工作时剖面图

图5 制动器工作时剖面图

制动器工作时，制动总泵将制动液从图5右部的进油口压入液压缸，并推动活塞连同活动制动块向制动盘方向移动。同时，由于制动钳体可以沿导向销轴向方向移动，液压缸内压力会通过制动钳体的移动使固定制动块压向制动盘。最终，两个制动块加紧制动盘，产生与制动盘旋转方向相反的阻力矩，使车辆减速。

5 建模分析

对制动盘及制动块的外形尺寸进行测量，在有限元软件内建立相应的模型。为了减少计算所需的系统资源，在不影响计算结果的前提下，对模型进行适当简化，制动盘与制动块模型（如图6所示）。

图6 制动盘与制动块模型图

查阅相关文献，制作如表1的材料参数表。依照表1内的参数，在有限元软件内设置制动盘及制动块的密度、弹性模量、泊松比等属性。划分网格后，定义制动块与制动盘的接触，设定摩擦系数为0.38。

表1 材料参数表 （f=0.38）

在行驶过程中，制动盘处于绕中心轴旋转的状态。制动时，制动盘除受自身重力外，其主要就受制动块的夹紧力和摩擦力。若当事人所说情况属实，制动盘应在这种受力状态下造成损坏。

在车身侧向与固定物碰撞过程中，车轮发生轴向位移。车轮的位移带动制动盘的法兰部分使制动盘产生位移。制动钳支架安装在车身悬架上，其不会完全与车轮同步位移。制动块就会干涉制动盘的移位，制动盘处于与行驶过程完全不同的另一种受力状态。

不管是何种受力状态下造成的制动盘损坏，破损的部位都应该在应力集中部位。只要分析出制动盘在上述两种状态下的应力分布情况，就能判断出事发时的实际情况。

6 仿真求解

根据分析的情况，首先模拟正常制动时的制动盘与制动块的载荷（如图7所示）。在模型的法兰部分加载转矩，模拟车轮的转动惯性矩。两块制动块外侧分别加载数值相等、方向相对的压强，模拟制动块的压紧力。

图7 模拟正常制动时载荷加载图

通过有限元软件求解出正常制动时，制动盘的应力分布情况（如图8所示）。从图中可以发现，制动盘上应力较大区域集中在制动块附近的制动盘主体上。

图8 正常制动时制动盘应力分布图

再模拟车轮侧向位移时的制动盘与制动块的载荷（如图9所示）。在模型的法兰部分加载轴向位移，模拟从车轮传递来的外力。两块制动块均限制自由度。

图9 模拟车轮侧向位移时载荷加载图

通过有限元软件求解出车轮侧向位移时，制动盘的应力分布情况（如图10所示）。从图中可以发现，制动盘上应力集中在主体与法兰连接处并具有对称分布特征。

图10 车轮侧向位移时制动盘应力分布图

7 交通事故鉴定意见

交通事故中制动盘的断裂部位主要沿圆周方向、集中在制动盘主体与法兰部分结合处，而且有一定的对称性，其与图10的红色（应力较大）区域基本一致。而图8的应力较大区域集中在制动盘与制动块接触的部位，其分布区域、特点均与制动盘的实际损坏部位相差较大。因此可以判断，制动盘不是在正常制动状态下（如图8所示）损坏的，而是在车轮侧向与固定物碰撞中（如图10所示）形成。在综合其它信息之后，作出了排除因制动盘先行断裂而引起事故的鉴定意见。

8 结论

工程中的有限元应用往往关注设计方案的仿真，最终达到某些方面优化的目的。此时，对有限元中输入的外廓尺寸、材料参数等数据的准确性要求较高。但在交通事故鉴定中，分析的目的在于搞清现有设计的力学特性。重点在于外廓尺寸，对于材料参数的准确性要求并不高。因此，可在没有做材料的力学试验的情况下，通过查询类似材料的文献资料完成有限元材料参数的确定。当部件的外廓形状特别复杂时，可以考虑借助三维扫描仪获得该部件的外廓尺寸参数。在扫描同时，计算机也能自动生成模型，缩短建模的时间。

总的来说，有限元可以分析出部件的力学特性，并用直观地方式显示出来。在交通事故鉴定中应用的门槛不算高，是一种行之有效的鉴定方法。随着现代数字技术的发展，有限元在交通事故鉴定中的应用将会越来越普遍。

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