熱固耦合分析 / 磨擦生熱模擬-熱應力分析
現在市場上常見的有限元軟體都已經有一定的成熟度，無論是以結構應力軟體來進行結構分析或是使用流體模組分析流動的現象，準確度應該都不會太差。但面對越來越多的工程問題，可能牽涉到兩種或兩種以上的物理現象(如：熱與機械)，就會造成模擬上的困難。因此，能同時解決多物理現象模擬分析相信是工程師們都非常期待的工具，本文就以煞車碟盤為案例說明如何進行磨擦生熱的熱固耦合分析與熱應力分析。
多物理耦合分析的困難點
目前在工程中常見的多物理現象如：熱應力、流固偶合以及電熱現象等都是工程師常需要解決的問題，因這些物理現象並不容易從實驗中取的兩者的交互關係，而熱與機械耦合更常是被探討的議題，比較簡單的題目如半導體產業的晶片熱應力問題，更進階的部分則可涵蓋摩擦生熱現象(如：煞車系統)。而熱應力分析研究對於軟體分析的門檻並不會太高，工程師會希望由熱所產生的應力並不會讓東西壞掉就好，相對而言磨擦生熱的題目則會涵蓋到高速動態分析、應力發生以及溫度變化三種領域，這樣的題目大大提高了分析上的門檻。對於工程師來說，如果有軟體可以直接在模組內設定這三種物理現象，然後進行分析，相信可以更有效率的解決工程上的問題。
煞車碟盤案例
此種包含動態與熱應力的分析並不如傳統力學分析來的容易，我們想要看到的是輪胎具有初始速度經由碟盤煞車後溫度變化、熱的流向以及應力分布情形，因此軟體需具備可同時進行動態、結構與熱流模擬。目前市售的軟體如ANSYS、Abaqus等要同時模擬動態磨擦生熱實有難度，軟體必須支援動態求解、熱傳導與力學分析，根據接觸面需設定其磨擦係數以及不同材料的熱傳導係數。
NX Nastran 煞車碟盤磨擦生熱/熱應力分析應用案例
NX Nastran是一個專業的CAE分析軟體，其擅長求解非線性題目甚至是熱流等現象，其求解器包括結構、CFD、熱分析、電磁、熱-機械耦合以及流體結構交互作用。
此範例為使用NX Nastran熱-機械耦合求解器模擬分析煞車來令片與煞車碟盤運作時的溫度與應力變化，因煞車碟盤屬於軸對稱模型，因此可以使用2D或3D方式進行模擬。在2D模型中我們設定煞車碟盤初始速度為900rpm，接著將2MPa施予在活塞上使煞車片與煞車盤產生磨擦，兩者間的磨擦係數訂為0.2，此時熱會經由兩者磨擦發生處傳遞到上方活塞與下方固定板上；而3D模型中設定煞車碟盤初始速度為200 km/h，並將40MPa施予在煞車來令片上使來令片與煞車碟盤產生磨擦，兩者間的磨擦係數設定為0.35，此時熱會經由兩者磨擦發生處傳遞到煞車來令片上。
從結果顯示無論2D或3D模型溫度上升皆到達400度。而關於應力部份，在2D模型中，因設定為軸對稱形式所以承受應力約為400MPa。而3D分析中，應力因由煞車來令片傳遞壓力至煞車碟盤上，使得整個煞車碟盤有應力分布，但因此模型為動態行為所以應力分散到只有0.58MPa。此外，2D模型還能清楚呈現熱通量、接觸壓力等結果。
對於目前市面上的有限元軟體要做到這樣的模擬，幾乎都要自行輸入命令方式來完成此多物理性質耦合分析，而本研究則使用NX Nastran可以直接使用熱與機械分析模組來模擬煞車碟盤的做動現象，以了解此煞車系統散熱設計等方向，我相信應該有助於相關企業的產品開發及減少測時成本的支出。
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