# FEA Analysis of coupled thermo-mechanical response of grey cast iron material used in brake discs

## Análisis FEA de la respuesta termomecánica acoplada del material de fundición gris utilizado en los discos de freno

### Resumen (en_US)

In this work, we will present numerical modeling using the ANSYS software adapted for finite element method, to follow the evolution of the global temperatures for the two types of brake discs, full and ventilated disc during a braking scenario. Also, the numerical simulation of the transient thermal analysis and the static structural one is performed here sequentially with the coupled thermo-structural method. A numerical procedure of calculation relies on important steps such that the CFD thermal analysis is well illustrated in 3D, showing the effects of heat distribution over the brake disc. This CFD analysis will help us in the calculation of the values of the thermal coefficients (h) that will be exploited in the 3D transient evolution of the brake disc temperatures. Three different brake disc materials were selected in this simulation and a comparative analysis of the results was conducted in order to derive the one with the best thermal behavior. Finally, the resolution of the coupled thermomechanical model allows us to visualize other important results of this research such as; the deformations, and the equivalent stresses of Von Mises of the disc, as well as the contact pressure of the brake pads. Following our analysis and the results we draw from it, we derive several conclusions. The choice will allow us to deliver the best suitable design of the brake rotor to ensure and guarantee the good braking performance of vehicles.

### Resumen (es_ES)

En este trabajo, presentaremos el modelado numérico utilizando el software ANSYS adaptado para el método de elementos finitos, para seguir la evolución de las temperaturas globales para los dos tipos de discos de freno, disco lleno y disco ventilado durante un escenario de frenado. Además, la simulación numérica del análisis térmico transitorio y el estructural estático se realiza aquí secuencialmente con el método termoestructural acoplado. Un procedimiento numérico de cálculo se basa en pasos importantes, de modo que el análisis térmico de los CFDs está bien ilustrado en 3D, mostrando los efectos de la distribución del calor sobre el disco de freno. Este análisis de CFDs nos ayudará en el cálculo de los valores de los coeficientes térmicos (h) que se utilizarán en la evolución transitoria 3D de las temperaturas de los discos de freno. En esta simulación se seleccionaron tres materiales diferentes de discos de freno y se realizó un análisis comparativo de los resultados para obtener el que tuviera el mejor comportamiento térmico. Finalmente, la resolución del modelo termomecánico acoplado nos permite visualizar otros resultados importantes de esta investigación como son: las deformaciones y las tensiones equivalentes de Von Mises del disco, así como la presión de contacto de las pastillas de freno. Tras nuestro análisis y los resultados que obtenemos de él, obtenemos varias conclusiones. La elección nos permitirá ofrecer el diseño más adecuado del rotor de freno para asegurar y garantizar el buen rendimiento de frenado de los vehículos.

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### Referencias

Abu Bakar, A.R., Ouyang, H., Khai, L.C. and Abdullah, M.S.. (2010). Thermal analysis of a disc brake model considering a real brake pad surface and wear, Int. J. Vehicle Structures and Systems, 2(1), 20-27. https://doi.org/10.4273/ijvss.2.1.04

Adamowicz, A.; Grześ, P. (2012).Convective cooling of a disc brake during single braking, Acta Mechanica et Automatica, 6(2), 5-10.

Belhocine, A. and Ghazaly, N.M.(2016). Effects of Young’s Modulus on Disc Brake Squeal using Finite Element Analysis, International Journal of Acoustics and Vibration, 31(3), 292-300. https://doi.org/10.20855/ijav.2016.21.3423

Belhocine, A and Wan-Omar, W.Z.. (2017) .CFD modeling and computation of convective heat coefficient transfer of automotive disc brake rotors. Revista Científica. 29, 116-128. https://doi.org/10.14483/udistrital.jour.RC.2017.29.a1

Coudeyras, N. (2009). Non-linear analysis of multiple instabilities to the rubbing interfaces: application to the squealing of brake, PhD Thesis, Central school of Lyon-speciality: mechanics, December.

Gotowicki, P. F., Nigrelli, V., Mariotti, G. V., Aleksendric, D. and Duboka, C. (2005).Numerical and experimental analysis of a pegs-wing ventilated disk brake rotor with pads and cylinders, 10th EAEC Eur. Automot. Cong.–Paper EAEC05YUAS04–P5, June.

Ishak, M.R., Abu Bakar, A.R., Belhocine, A., Taib, J.M., Wan Omar, W.Z.(2018). Brake torque analysis of fully mechanical parking brake system: Theoretical and experimental approach, Ingenieria Investigacion y Tecnologia, 19(1) , 37-49. https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2018.19n1.004

Mackin, T.J., Noe, S.C., Ball, K.J., Bedell, B.C., Bim-Merle, D.P., Bingaman, M.C., Bomleny, D.M., Chemlir, G.J., Clayton, D.B. and Evans, H.A.(2002) .Thermal cracking in disc brakes. Engineering Failure Analysis, 9, 63−76. https://doi.org/10.1016/S1350-6307(00)00037-6

Oday, I. A. and Josef Schlattmann,J.(2016). Temperature analysis of a pin-on-disc tribology test using experimental and numerical approaches. Friction, 4(2), 135–143. https://doi.org/10.1007/s40544-016-0110-1

Oday, I. A. and Josef Schlattmann, J.(2016). Thermal behavior of friction clutch disc based on uniform pressure and uniform wear assumptions. Friction, 4(3), 228–237. https://doi.org/10.1007/s40544-016-0120-z

Oder, G., Reibenschuh, M., Lerher, T., Šraml, M., Šamec, B. and Potrč, I.(2009). Thermal and stress analysis of brake discs in railway vehicles. Advanced Engineering, 3(1), ISSN 1846-5900.

Palmer, E., Mishra, R. and Fieldhouse, J. D. (2009).An optimization study of a multiple row pin vented brake disc to promote brake cooling using computational fluid dynamics, Proc. Institution of Mech. Engineers, Part D, Journal of Automobile Engineering, 223(7), 865-875.

Reimpel, J. (1998).Braking Technology, Vogel Verlag, Würzburg.

Stephens, A. (2006).Aerodynamic Cooling of Automotive Disc Brakes, Master’s thesis, .School of Aerospace, Mechanical & Manufacturing Engineering, RMIT University, March.

Tang, J., Bryant, D. and Qi, H. (2014).Coupled CFD and FE thermal mechanical simulation of disc brake, Proc. Eurobrake Conference, Lille, France.

*Revista Científica*,

*3*(36), 280-296. https://doi.org/10.14483/23448350.14827

Derechos de autor 2019 Ali Belhocine, Asif Afzal

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