成果報告書詳細
管理番号20110000001210
タイトル*平成22年度中間年報 ナノテク・先端部材実用化研究開発/新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発(4)
公開日2011/9/9
報告書年度2010 - 2010
委託先名独立行政法人宇宙航空研究開発機構
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
(1)
目的
昨年度(平成21年度)においては、安全性のC/SiC製高いブレーキディスク設計指針の確立を目的として、2次元モデルを用いた有限要素法解析を行った。ブレーキディスクに発生する温度分布および熱応力を明らかとし、さまざまな材料定数が熱応力に及ぼす影響について検討した。その結果、熱応力を低減するための材料設計指針およびディスク形状設計指針を得ることができた。
本年度では、3次元の有限要素法解析モデルを用いることにより、2次元モデルでは明らかに出来なかった、より詳細なディスク形状、ボルト穴の位置、材料定数の異方性の設計因子が発生応力に及ぼす影響について検討を行い、ブレーキディスクの材料設計指針、構造設計指針を得ることを目的とした。
(2)
3次元ディスク形状の影響
図1に本解析で用いた、ブレーキディスクの内周側にボルト穴が配置された通常締結モデルと、摩擦面の中央にボルト穴を設けた中央締結モデルを用いた。また、ディスク厚さの影響を検討するため、半分の厚みのモデルを用いての解析も行った。用いた材料定数を表1に示す。これらの値は、参考文献を元にブレーキディスク用途として用いられたいくつかのC/SiCの材料定数を考慮して決定した。
解析結果を表2に示す。各モデルを用いた解析より得られた、円周方向と半径方向の最大引張応力および圧縮応力を示した。通常締結モデルにおいては、円周方向の引張応力が最も高いことがわかる。一方中央締結モデルにおいても円周方向の引張応力が最も高い値となった。それらの値を比較すると、通常締結モデルの値は中央締結モデルよりも約4倍高く、昨年行った2次元モデルを用いた同様の解析の結果と比較して、差は大きくなった。その理由として、3次元の通常締結モデルにおいて摩擦面と締結部分の温度差が顕著になり、ボルト穴付近に引張応力が集中したことが原因であることが明らかとなった。また中央締結モデルのディスク厚さを半分とした解析を行った結果、発生応力は約40%低減する事が明らかとなった。しかし、ディスクの最大温度は1.3倍になる事が明らかとなった。
英文要約In last year, the thermal profile and stress distribution of the C/SiC brake disk were calculated using unsteady heat-stress analysis with 2-dimensional FEM(Finite Element Method) models, and maximum tensile and compressive stress were investigated. In this year, in order to investigate the decrease of the generated stress for the safety and optimum design of the brake disc, FEM analysis was conducted in more detail by using 3-dimensional models, and the effects of the anisotropic material constant, the shape of the disc, and the position of the bolt holes, on the generated stress were investigated. From the results, it was clarified that the generated stress in the model with bolt holes around inner circumference was much higher than that with the holes in the middle of friction part. By decreasing the thickness of the disc, the generated stress decreased. Next, the effects of the change in anisotropic material constants on the generated stress were investigated. The thermal conductivity decreased in thickness direction, and the Young’s modulus increased in in-plane direction considering the actual manufacturing process of a disc. From these analyses, the generated stress did not change. Therefore, Young’s modulus should be lower in in-plane direction and thermal conductivity should be higher in thickness direction for lower generated stress in the C/SiC brake disc.
From the results in this year, the problem points, that couldn’t be indicated in the 2-dimensional analysis in last year, were clarified, and the optimum material design and the shape design of a brake disk were proposed.
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