Analisi e modellazione dei fenomeni termoelastici in sistemi frenanti ad alte prestazioni

The thermoelastic phenomena in braking systems are based on the interactions between mechanical and thermal loads. The first section of this work is dedicated to a review of the existing literature, including the classification of such phenomena, with a comparison of the existing analytical and numerical models for the analysis of frictionally excited thermoelastic instability (TEI). With specific focus on the carbon/carbon high performance braking systems, the analytical models are applied; the results exclude the possibility of TEI in this scenario. Analysis of the experimental data show differences between various configurations and evidence of brake judder. The numerical modelling of the thermoelastic problem with the finite element method is complex, leading to a very high computational cost. This drives much interest towards hybrid analytical/numerical modelling. Such an approach, based on an existing description of a thermoelastic annular plate, is described in the second part of the thesis. Developed within the Dymola environment, it includes the effects of heat transfer, thermal expansion and brake pads flexibility. The model is validated against the experimental data. Due to the reduced computational cost, the simplified Dymola model proves to be a solid alternative to the finite element method.

Le interazioni tra i carichi meccanici e termici sono alla base dei fenomeni termoelastici nei sistemi frenanti. Nella prima parte di questo lavoro di tesi si riassumono le classificazioni esistenti in letteratura per tali fenomeni, confrontando in seguito i modelli analitici e numerici per l’analisi dell’instabilità termoelastica eccitata dall’attrito (TEI). Con riferimento ai sistemi ad alte prestazioni in materiale composito carbonio/carbonio, si utilizzano i modelli analitici; i risultati escludono la possibilità di insorgenza dell’instabilità termoelastica. Si analizzano i dati sperimentali per diverse configurazioni, evidenziandone le differenze e gli effetti del judder. La modellazione numerica del problema termoelastico è complessa; se affrontata con il tradizionale metodo degli elementi finiti comporta elevati costi computazionali. Di particolare interesse sono dunque i modelli ibridi analitici/numerici. In tal senso, basandosi su di una descrizione esistente di una piastra anulare termoelastica, la seconda parte della tesi presenta lo sviluppo in ambiente Dymola di un modello ibrido di sistema frenante, che include gli effetti degli scambi termici, della dilatazione termica e della flessibilità delle pastiglie freno. Il modello Dymola è validato rispetto ai dati sperimentali e rappresenta un’alternativa al metodo degli elementi finiti, per via dei costi computazionali decisamente inferiori.