Carbon-carbon braking systems thermoelastic modelling

The design phase of high performance braking systems is a complex engineering problem due to the thermoelastic interactions and materials tribology, highly interconnected. The thermomechanical characteristics of the whole caliper, pad and disc assembly, combined with the materials frictional properties define the torque provided by the braking system. A simulation able to consider all at once this different aspects, highly interconnected, may be cumbersome and time demanding. The result is the absence of a preliminary design tool for new systems. This work presents the development of a proper hybrid model, implemented in Dymola environment, able to collect all these different requirements into a simplified tool. Aim of this tool is to properly consider the main constructive issues, such has the pad amplification, pistons diameters and layout. The cooling channels present in both pads and disc, are considered through a Finite Volume approach, able to correctly model the effect of the voids. A simplified FEM approach based on the Modelica language capability of managing large scale simultaneous equations has been adopted to model the pads and the disc. The development of a proper contact model based on a local friction law, related to the tribology of C/C composites, has been performed. The parameters for such friction law have been determined through a classic identification procedure relying on experimental tests. The model has been applied to high performance F1 C/C braking systems. The validation of the whole model has been carried out, focusing on torque, friction coefficient and temperature simulations, for different existing calipers layouts. Wide and extended comparisons with the test bench data and FEM simulations have been adopted for the validation procedure. A sensitivity analysis on the mesh size has been conducted as well. The results obtained by using such a simple model are fully satisfying, given its flexibility in managing different braking phases by considering different calipers layout.

La progettazione di un impianto frenante ad alte prestazioni è un problema ingegneristico complesso, a causa delle interazioni termoelastiche e delle proprietà tribologiche dei materiali, fortemente accoppiati. Le caratteristiche termomeccaniche dell'intero assieme disco, pinza e pastiglie, combinate alle proprietà di attrito dei materiali a contatto definiscono la coppia frenante erogata dall'impianto. Una simulazione in grado di considerare simultaneamente ognuno di questi fenomeni, fortemente accoppiati fra di loro, è complessa e computazionalmente impegnativa. Questo lavoro di tesi presenta lo sviluppo di un modello ibrido, implementato nell'ambiente Dymola, in grado di considerare ogni aspetto rilevante in un unico modello semplificato, con lo scopo di fornire un utile strumento al progettista nella fase preliminare di progettazione. Per consentire tale utilizzo le caratteristiche costruttive fondamentali che definiscono l'assieme pinza-pastiglia, come l'angolo di amplificazione, le dimensioni e il posizionamento dei pistoni, sono state implementate nel modello. La presenza dei fori di raffreddamento e il loro effetto sul comportamento termico e meccanico dei componenti è stato modellato attraverso un approccio ai volumi finiti (FVM), basato sulla definizione di materiali equivalenti. Disco e pastiglie sono modellati tramite un modello FEM semplificato basato sulla caratteristica fondamentale del linguaggio Modelica, ovvero la sua gestione contemporanea di un gran numero di equazioni, da soddisfare ad ogni step di integrazione, tramite un approccio a-causale. L'implementazione di particolari condizioni al contorno, specialmente per quanto riguarda le pastiglie, introduce le variabili di progettazione nel modello, così che queste possano essere cambiate con facilità analizzandone l'effetto globale sulle future prestazioni dell'impianto. Un modello di contatto adatto, basato su una legge di attrito locale e legato alle caratteristiche tribologiche dei compositi C/C, è stato sviluppato. I parametri della legge di attrito scelta, proveniente da una serie di osservazioni qualitative e proposta da Pruett, sono stati identificati basandosi su una serie di dati sperimentali, in modo tale da riprodurre il più fedelmente possibile la coppia del banco. Il modello è stato applicato ad un sistema frenante C/C per applicazioni F1. La validazione, basata su una simulazione fedele da parte del modello di temperature, coppia e coefficiente di attrito, è stata compiuta considerando diversi assiemi pinza, sia amplificati che non. I risultati ottenuti, provenienti da diversi tipi di frenata e configurazioni dei pistoni, sono stati ampiamente confrontati con dati sperimentali provenienti dalle prove condotte al banco. Anche una analisi di sensitività sulla mesh è stata portata a termine. \noindent I risultati per un modello così relativamente semplice e veloce sono notevoli. Il modello è risultato in grado di riprodurre con relativa efficacia coppie, temperature e pressioni di contatto in frenate diverse e in impianti diversi, confermandone la flessibilità e il suo possibile utilizzo a scopo predittivo per la realizzazioni di nuovi sistemi. I tempi di calcolo, decine di volte inferiori rispetto a modelli equivalenti esistenti, ne permettono inoltre un utilizzo nettamente più agevole