CN113158333A - 一种制动器的支撑结构及其优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制动器的支撑结构，包括环形的圈体及设置于圈体一侧并与圈体一体成型的多个支撑柱，支撑柱的延伸方向与圈体的轴线方向平行，且多个支撑柱沿圈体的轴线呈环形阵列分布，支撑柱包括靠近轴线一侧的内表面及与内表面相对的外表面，内表面以第一轮廓向外表面方向凹陷形成有三角形孔洞，外表面以第二轮廓向内表面方向凹陷形成有浅槽，浅槽与三角形孔洞连通，第一轮廓向外表面的正投影完全位于第二轮廓范围内，且第一轮廓的直角边落在第二轮廓的第三边上，第一轮廓的底边落在第二轮廓的第四边上。本发明还提供一种支撑结构的优化设计方法。本发明提供的支撑结构可以提高散热并减小重量；提供的优化设计方法可以获得最佳的优化设计方案。

Description

一种制动器的支撑结构及其优化设计方法

技术领域

本发明涉及制动器技术领域，尤其涉及一种制动器的支撑结构及其优化设计方法。

背景技术

对于重型车辆，在要求具有较高的车速的同时还需要有较高的机动性，而其本身较大的重量使得在车辆结构设计尤其是车辆制动系统的设计上面临非常大的困难和挑战。制动器作为制动系统中最为关键的核心部件之一，在较高的车速和机动性要求下，不仅仅需要承受巨大的载荷，还必须在反复制动所引起的高温环境下保持力学性能和制动性能的稳定。制动器的支撑结构，作为制动器的核心部件之一，承担了为整个制动器提供支撑固定的作用，并且在一定程度上影响制动器在工作过程中的散热作用。对于重型车辆而言，在高频反复制动工况下，支撑结构必须在高温环境下保持足够的强度稳定性，以保证在高温下的结构可靠性。

传统的结构设计往往是设计者根据设计的要求在其实践经验的指导下对结构相关特征进行有目的性的改动，从而使结构满足要求的一种设计方法。该方法要得到最终的设计结果往往需要通过多次反复的设计修正并进行验证，需要耗费大量的时间并且对设计人员的水平要求很高。

因此，有必要提供一种制动器的支撑结构及其优化设计方法来解决上述问题。

发明内容

本发明针对上述要解决的技术问题，提供一种制动器的支撑结构，在高温条件下保证强度的同时可以减小重量；同时还提供一种优化设计方法，采用代理模型的方法可以获得最佳的优化设计方案。

本发明提供一种制动器的支撑结构，包括环形的圈体及设置于所述圈体一侧并与所述圈体一体成型的多个支撑柱，所述支撑柱的延伸方向与所述圈体的轴线方向平行，且多个所述支撑柱沿所述圈体的轴线呈环形阵列分布，所述支撑柱包括靠近轴线一侧的内表面及与所述内表面相对的外表面，所述内表面以第一轮廓向所述外表面方向凹陷形成有三角形孔洞，所述外表面以第二轮廓向所述内表面方向凹陷形成有浅槽，所述浅槽与所述三角形孔洞连通，所述第一轮廓包括底边、直角边和斜边，所述底边和所述直角边垂直，所述第二轮廓包括第一边、第二边、第三边、第四边、第五边及第六边，所述第一边与所述第四边平行，所述第三边与所述第五边平行，所述第二边及所述第六边对称设置于所述第一边的两端，所述第三边与所述第四边垂直，所述第一轮廓向所述外表面的正投影完全位于所述第二轮廓范围内，且所述直角边落在所述第三边上，所述底边落在所述第四边上。

优选的，所述支撑结构外径s0的尺寸为a，所述支撑柱在径向的厚度s00的尺寸为b，b的取值范围为(0.04-0.08)a。

优选的，所述浅槽的深度为s11，s11的取值范围为(0.1-0.8)b。

优选的，所述支撑柱的数量为10-20个，相邻两个所述支撑柱之间的间距为s18，s18的取值范围为(1-1.5)b。

优选的，所述底边和所述直角边之间通过圆角s1过渡；所述底边和所述斜边之间通过圆角s2过渡；所述斜边和所述直角边之间通过圆角s6过渡，s1、s2及s6半径的取值范围均为(0.05-0.35)b；所述直角边和所述斜边延长线的交点与所述底边的间距为s3，s3的取值范围为(1-3)b；所述底边与所述支撑柱底部平面的间距为s10，s10的取值范围为(0.2-0.7)b；所述直角边和所述斜边延长线的夹角为s5，s5的取值范围为10°-60°。

优选的，所述第一边和第四边的间距为s4，s4的取值范围为(2-4)b；所述第六边与所述第五边延长线的夹角为s8，s8的取值范围5°-25°；所述第五边和第六边延长线的交点与所述第四边的间距为s9，s9的取值范围为(1-3)b；所述第三边与所述第五边的间距为s14，s14的取值范围为(1-1.8)b；所述第一边与所述第二边之间通过圆角s7过渡，s7半径的取值范围为(0.3-0.7)b。

优选的，所述浅槽的槽壁与槽底之间通过圆角s13过渡，s13半径的取值范围为(0.05-0.35)b；所述三角形孔洞的孔壁与所述浅槽的槽底之间通过圆角s12过渡，s12半径的取值范围为(0.05-0.35)b。

优选的，所述圈体包括一体成型的上缘和下缘，所述下缘由所述上缘的底部向外弯曲延伸，所述支撑柱位于所述下缘的下方，所述上缘的外表面与所述下缘的外表面之间通过圆角s15过渡，s15半径的取值范围为(0.05-0.35)b；所述上缘的内表面与所述下缘的内表面之间通过圆角s16过渡，所述下缘的外表面与所述支撑柱之间通过圆角s17过渡，s16及s17半径的取值范围为(0.3-0.7)b。

本发明还提供一种上述的支撑结构的优化设计方法，包括如下步骤：

在s1、s2、s4、s5、s6、s7、s8、s9、s3、s10、s11、s12、s13、s14、s15、s16、s17及s18十八个设计参数中，选择s8、s9及s11作为设计变量，其余设计参数作为常量，设定支撑结构的外径为具体数值，确定设计变量的取值范围及常量的取值；

从设计变量的取值范围内，随机获取样本数据，生成设计变量组合作为新的设计参数，生成支撑结构模型，并对支撑结构模型进行仿真，获取仿真计算的目标结果值；

针对不同的优化设计问题，选择不同的目标结果值作为输出量，建立代理模型，对代理模型进行求解，得到支撑结构的最优设计结果。

与相关技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的制动器的支撑结构通过三角形空洞和浅槽的合理设置，充分发挥了材料分布的潜力，在变形性能上保持甚至优于传统设计的同时，实现了包括轻量化设计、提高散热性能等其他优化目的；

(2)本发明提供的制动器的支撑结构可以根据实际情况调整特征参数来实现对变形性能和减重量的关系，针对不同的需求生成不同重量和最大变形量的支撑结构模型；

(3)本发明提出的优化设计方法能够解决复杂结构的多设计参数下的优化设计问题，在满足一定精度要求的情况下具有较高的计算效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明提供的一种制动器的支撑结构的立体结构示意图；

图2为第一轮廓和第二轮廓的标示图；

图3为第一轮廓和第二轮廓中设计参数的标示图；

图4为支撑柱的横向剖视图；

图5为支撑结构的纵向剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请结合参阅图1-5，本发明提供一种制动器的支撑结构100，包括环形的圈体10及设置于所述圈体10一侧并与所述圈体10一体成型的多个支撑柱20。所述支撑柱20的延伸方向与所述圈体10的轴线方向平行，且多个所述支撑柱20沿所述圈体10的轴线呈环形阵列分布。

所述支撑柱20包括靠近轴线一侧的内表面21及与所述内表面21相对的外表面22，所述内表面21以第一轮廓向所述外表面22方向凹陷形成有三角形孔洞23，所述外表面22以第二轮廓向所述内表面21方向凹陷形成有浅槽24，所述浅槽24与所述三角形孔洞23连通。

所述第一轮廓包括底边A1、直角边A2和斜边A3，所述底边和所述直角边垂直。所述第二轮廓包括第一边B1、第二边B2、第三边B3、第四边B4、第五边B5及第六边B6，所述第一边B1与所述第四边B4平行，所述第三边B3与所述第五边B5平行，所述第二边B2及所述第六边B6对称设置于所述第一边B1的两端，所述第三边B3与所述第四边B4垂直，所述第一轮廓向所述外表面22的正投影完全位于所述第二轮廓范围内，且所述直角边A2落在所述第三边B3上，所述底边A1落在所述第四边B4上。

制动器的支撑结构，作为制动器的核心部件之一，承担了为整个制动器提供支撑固定的作用，并且能够影响制动器在工作过程中的散热作用。对于重型车辆而言，在高频反复制动工况下，支撑结构必须在高温环境下保持足够的强度稳定性，以保证在高温下的结构可靠性。因此，所述三角形空洞23和所述浅槽24的设置，增加了支撑结构与外界的接触面积，可以加快热量的消散，避免热量在支撑柱20上过度积累；同时还可以降低支撑结构100整体的重量，在保证性能甚至优化性能的情况下满足新时代日益迫切的轻量化需求。并且，所述三角形孔洞23的设置，使得所述支撑柱20上材料分布趋向于支撑柱20受静摩擦片挤压的一侧，可以更好的适应单侧制动的情况。

所述支撑结构100外径s0的尺寸为a，所述支撑柱20在径向的厚度s00的尺寸为b，b的取值范围为(0.04-0.08)a；所述浅槽24的深度为s11，s11的取值范围为(0.1-0.8)b。所述支撑柱20的数量为10-20个，相邻两个所述支撑柱20之间的间距为s18，s18的取值范围为(1-1.5)b。

所述底边A1和所述直角边A2之间通过圆角s1过渡；所述底边A1和所述斜边A3之间通过圆角s2过渡；所述斜边A3和所述直角边A2之间通过圆角s6过渡，s1、s2及s6半径的取值范围均为(0.05-0.35)b；所述直角边A2和所述斜边A3延长线的交点与所述底边A1的间距为s3，s3的取值范围为(1-3)b；所述底边A1与所述支撑柱20底部平面的间距为s10，s10的取值范围为(0.2-0.7)b；所述直角边A2和所述斜边A3延长线的夹角为s5，s5的取值范围为10°-60°。

所述第一边B1和第四边B4的间距为s4，s4的取值范围为(2-4)b；所述第六边B6与所述第五边B5延长线的夹角为s8，s8的取值范围5°-25°；所述第五边B5和第六边B6延长线的交点与所述第四边B4的间距为s9，s9的取值范围为(1-3)b；所述第三边B3与所述第五边B5的间距为s14，s14的取值范围为(1-1.8)b；所述第一边B1与所述第二边B2之间通过圆角s7过渡，圆角s7的取值范围为(0.3-0.7)b，上述圆角的设置，可以避免应力的集中，提高结构强度。

所述浅槽24的槽壁与槽底之间通过圆角s13过渡，s13半径的取值范围为(0.05-0.35)b；所述三角形孔洞23的孔壁与所述浅槽24的槽底之间通过圆角s12过渡，s12半径的取值范围为(0.05-0.35)b。

进一步的，所述圈体10包括一体成型的上缘11和下缘12，所述下缘12由所述上缘11的底部向外弯曲延伸，所述支撑柱20位于所述下缘12的下方。所述上缘11的外表面与所述下缘12的外表面之间通过圆角s15过渡，s15半径的取值范围为(0.05-0.35)b；所述上缘11的内表面与所述下缘12的内表面之间通过圆角s16过渡，所述下缘12的外表面与所述支撑柱20之间通过圆角s17过渡，s16及s17半径的取值范围为(0.3-0.7)b。

需要说明的是，在本实施方式中，“内表面”指的是相应结构靠近轴线的一侧表面，“外表面”指的是相应结构远离轴线的一侧表面。

本发明还提供一种上述的支撑结构的优化设计方法，包括如下步骤：

S1：在s1、s2、s4、s5、s6、s7、s8、s9、s3、s10、s11、s12、s13、s14、s15、s16、s17及s18十八个设计参数中，选择s8、s9及s11作为设计变量，其余设计参数作为常量，设定支撑结构的外径为具体数值，确定设计变量的取值范围及常量的取值。

根据所述支撑结构的特点，选定设计的特征结构区域，设计变量根据特征结构的相关参数来进行提取，过多的设计变量无法突出优化设计的重点，并且也不利于求解计算，并且s8、s9对所述第二轮廓的影响最大，s11限定了所述浅槽24的深度，即s8、s9及s11对所述浅槽24形状的影响最大，同时，所述浅槽24的形状特征还可以对所述三角形孔洞23的形状构成限制，因此，选择s8、s9及s11作为设计变量，可以最大程度上探究所述浅槽24及所述三角形孔洞23的形状变化对所述支撑结构性能的影响。

进一步的根据支撑结构的特点，避免不同设计变量间组合出现不合理的结构，以此确定设计变量的取值范围。

S2：从设计变量的取值范围内，随机获取样本数据，生成设计变量组合作为新的设计参数，生成支撑结构模型，并对支撑结构模型进行仿真，获取仿真计算的目标结果值。

其中所述目标结果值可以为柔度、导热性、体积、热柔度等。所述目标结果值可以为单一目标值也可以为多个目标值，包括但不限于加权求和之内的组合形式。

S3：针对不同的优化设计问题，选择不同的目标结果值作为输出量，建立代理模型，对代理模型进行求解，得到支撑结构的最优设计结果。

代理模型方法是一种采用数学手段拟合结构特性规律的近似优化设计方法，其重点在于选择合适的近似手段，这决定了代理模型拟合的精度。多项式响应面模型在优化设计中具有计算量小，预测精度较高等优点，综合考虑计算量和拟合精度，支撑结构基于代理模型的结构优化设计采用多项式响应面模型，其一般表达式如下所示：

式中，x_i是m维自变量X的第i个分量，β₀，β_i和β_ij为待定参数。通过选择一个合适的函数来替代上式中的自变量x_i可以构造广义多项式响应面模型，可以弥补多项式对非线性问题的描述能力，其表达式如下：

式中，y_i(X)表示第i个关于自变量X的函数。

具体的，通过计算机仿真得到在不同设计变量下的目标函数输出量，代入上述多项式响应面模型，可以得到方程组，由此可以解出待定参数β₀,β_i,β_ij的值。

进一步的，将求得的待定参数β₀,β_i,β_ij代入上述多项式响应面模型的表达式，得到优化结构的代理模型。

利用其它设计变量下输出的目标函数值与得到的代理模型计算所得目标函数进行比较，验证代理模型的精度，若不满足精度要求则需要重新构造同阶的或者高阶的代理模型，直到代理模型满足优化设计的精度要求。对满足精度要求的代理模型采用数学方法求解其最优解，即为优化设计的最优结果。

在实际的工程应用中，对于制动器的支撑结构，由于其不仅需要承受较大的载荷作用，同时需要考虑到制动器的散热情况，因此留给结构优化设计的空间较小，往往难以针对优化的形状尺寸建立数学模型并进行求解，凭借经验的重复设计方法无法保证能够得到最优的设计方案，基于代理模型的优化设计方法具有更加实用的价值。通过对多组设计参数的不同取值下的支撑结构进行仿真计算或者实验测试得到设计所需要的目标值，通过函数曲线来拟合目标值与设计参数取值之间的关系，得到支撑结构关于特定目标的代理模型。通过满足精度要求的代理模型，可以求解模型最佳取值对应的设计参数，获得最佳的优化设计方案。

结构优化设计不同于传统的结构设计，其需要对优化对象和优化要求进行数学建模，通过数学求解的方法来获得优化对象在优化条件下的最优设计结果。该方法依托于数学工具、有限元理论以及电子计算机，能够对结构进行准确高效的优化设计。

实施一

在本实施方式中，选择s8、s9及s11作为设计变量，其余设计参数作为常量，设定支撑结构的外径为具体数值。通过仿真得到支撑结构代理模型的样本数据如下表所示：

表格1制动器支撑结构代理模型优化样本数据

支撑结构基于代理模型的结构优化设计采用多项式响应面模型，其一般表达式如下所示：

式中，x_i是m维自变量的第i个分量，β₀，β_i和β_ij为待定参数，ε为误差。

以支撑结构变形最小为目标的优化设计，采用采用一阶多项式响应面模型，一阶多项式响应面模型表达式如下所示：

设计变量可以表示为：

X＝[x₁,x₂,x₃]^T＝[s11,s8,s9]^T

将表格1中的样本数据代入代理模型中有，

f(x)＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃

＝β₀+β₁s11+β₂s8+β₃s9

进一步的，可以解出待定参数β₀、β₁、β₂和β₃，解得：

[β₀，β₁，β₂]＝[1.1701,0.0122,-0.0006]

进一步的将已知的待定参数代入一阶多项式响应面模型，得到制动器支撑结构的优化设计的代理模型。

在得到满足精度要求的支撑结构代理模型后，其数学模型可表示为：

进一步的利用数学规划的方法求解上述优化模型，可得到在满足设计要求下的制动器支撑结构最优设计方案。

结合表格1可以看出，当s8的取值为15mm、s9的取值为70mm、s11的取值为17mm时，制动器支撑结构的最大变形为1.3823mm，将其与传统结构的支撑结构相比，其最大变形减少0.04％的同时，结构重量减少了15.1％。因此可以在保证结构强度稳定性的同时，能够有效减少支撑结构的重量。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的制动器的支撑结构通过三角形空洞和浅槽的合理设置，充分发挥了材料分布的潜力，在变形性能上保持甚至优于传统设计的同时，实现了包括轻量化设计、提高散热性能等其他优化目的；

(2)本发明提供的制动器的支撑结构可以根据实际情况调整特征参数来实现对变形性能和减重量的关系，针对不同的需求生成不同重量和最大变形量的支撑结构模型；

(3)本发明提出的优化设计方法能够解决复杂结构的多设计参数下的优化设计问题，在满足一定精度要求的情况下具有较高的计算效率。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种制动器的支撑结构，其特征在于，包括环形的圈体及设置于所述圈体一侧并与所述圈体一体成型的多个支撑柱，所述支撑柱的延伸方向与所述圈体的轴线方向平行，且多个所述支撑柱沿所述圈体的轴线呈环形阵列分布，所述支撑柱包括靠近轴线一侧的内表面及与所述内表面相对的外表面，所述内表面以第一轮廓向所述外表面方向凹陷形成有三角形孔洞，所述外表面以第二轮廓向所述内表面方向凹陷形成有浅槽，所述浅槽与所述三角形孔洞连通，所述第一轮廓包括底边、直角边和斜边，所述底边和所述直角边垂直，所述第二轮廓包括第一边、第二边、第三边、第四边、第五边及第六边，所述第一边与所述第四边平行，所述第三边与所述第五边平行，所述第二边及所述第六边对称设置于所述第一边的两端，所述第三边与所述第四边垂直，所述第一轮廓向所述外表面的正投影完全位于所述第二轮廓范围内，且所述直角边落在所述第三边上，所述底边落在所述第四边上。

2.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，所述支撑结构外径s0的尺寸为a，所述支撑柱在径向的厚度s00的尺寸为b，b的取值范围为(0.04-0.08)a。

3.根据权利要求2所述的支撑结构，其特征在于，所述浅槽的深度为s11，s11的取值范围为(0.1-0.8)b。

4.根据权利要求3所述的支撑结构，其特征在于，所述支撑柱的数量为10-20个，相邻两个所述支撑柱之间的间距为s18，s18的取值范围为(1-1.5)b。

5.根据权利要求4所述的支撑结构，其特征在于，所述底边和所述直角边之间通过圆角s1过渡；所述底边和所述斜边之间通过圆角s2过渡；所述斜边和所述直角边之间通过圆角s6过渡，s1、s2及s6半径的取值范围均为(0.05-0.35)b；所述直角边和所述斜边延长线的交点与所述底边的间距为s3，s3的取值范围为(1-3)b；所述底边与所述支撑柱底部平面的间距为s10，s10的取值范围为(0.2-0.7)b；所述直角边和所述斜边延长线的夹角为s5，s5的取值范围为10°-60°。

6.根据权利要求5所述的支撑结构，其特征在于，所述第一边和第四边的间距为s4，s4的取值范围为(2-4)b；所述第六边与所述第五边延长线的夹角为s8，s8的取值范围5°-25°；所述第五边和第六边延长线的交点与所述第四边的间距为s9，s9的取值范围为(1-3)b；所述第三边与所述第五边的间距为s14，s14的取值范围为(1-1.8)b；所述第一边与所述第二边之间通过圆角s7过渡，s7半径的取值范围为(0.3-0.7)b。

7.根据权利要求6所述的支撑结构，其特征在于，所述浅槽的槽壁与槽底之间通过圆角s13过渡，s13半径的取值范围为(0.05-0.35)b；所述三角形孔洞的孔壁与所述浅槽的槽底之间通过圆角s12过渡，s12半径的取值范围为(0.05-0.35)b。

8.根据权利要求7所述的支撑结构，其特征在于，所述圈体包括一体成型的上缘和下缘，所述下缘由所述上缘的底部向外弯曲延伸，所述支撑柱位于所述下缘的下方，所述上缘的外表面与所述下缘的外表面之间通过圆角s15过渡，s15半径的取值范围为(0.05-0.35)b；所述上缘的内表面与所述下缘的内表面之间通过圆角s16过渡，所述下缘的外表面与所述支撑柱之间通过圆角s17过渡，s16及s17半径的取值范围为(0.3-0.7)b。

9.一种如权利要求8所述的支撑结构的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

在s1、s2、s4、s5、s6、s7、s8、s9、s3、s10、s11、s12、s13、s14、s15、s16、s17及s18十八个设计参数中，选择s8、s9及s11作为设计变量，其余设计参数作为常量，设定支撑结构的外径为具体数值，确定设计变量的取值范围及常量的取值；

从设计变量的取值范围内，随机获取样本数据，生成设计变量组合作为新的设计参数，生成支撑结构模型，并对支撑结构模型进行仿真，获取仿真计算的目标结果值；

针对不同的优化设计问题，选择不同的目标结果值作为输出量，建立代理模型，对代理模型进行求解，得到支撑结构的最优设计结果。

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