高速客车铝基复合材料制动盘热损伤和结构设计研究

论文摘要

轻量化是高速列车的关键技术之一。SiC颗粒增强铝基复合材料用于高速列车制动盘可减少簧下重量、实现轻量化。但铝基复合材料的膨胀系数较大、高温强度偏低,复合材料制动盘很容易受到热损伤,这使其使用速度受到限制。本文以有限元模拟计算为基础,通过理论分析和试验研究相结合的方法,开展了高速客车铝基复合材料制动盘的热损伤和结构设计研究。探讨了热损伤的特点和规律,在此基础上开展了制动盘的结构优化设计,提高了其适用的速度上限。本文测试了20wt%颗粒增强铝基复合材料在不同温度下的力学性能及热物理性能,得到了这两种性能随温度变化的曲线。通过有限元计算与试验验证相结合的方法系统研究了复合材料的微观损伤机理,得知室温下复合材料的裂纹萌生以基体撕裂和颗粒断裂为主;高温下其裂纹萌生机制以颗粒脱离和基体撕裂为主。开展了颗粒含量不同、颗粒含量相同但温度不同的铝基复合材料单向拉伸模拟计算,并通过与实测结果相比较,得出结论:颗粒含量不大于20wt%的复合材料的均质假设有限元模拟计算是有效的。这为20wt%颗粒增强铝基复合材料制动盘的均质假设有限元分析有效性奠定了基础。本文建立了三种制动盘制动过程有限元计算模型,并以1∶1制动试验中红外线温度成像系统测试的温度为依据,分析了它们的特点和适用性。在部分盘间接耦合模型的基础上,提出了整盘间接耦合计算模型。进一步研究了弹塑性热-机耦合问题,建立了盘形制动多体接触弹塑性热-机耦合模型。为铝基复合材料制动盘的热损伤和结构设计研究进行了研究方法上准备。本文采用有限元计算、理论分析和试验结果相结合的方法,研究了制动盘热斑、热裂纹和开裂三种热损伤的形成机理、影响因素和预防措施。研究表明,热斑是制动盘摩擦面局部高温区的组织变化和高温氧化的结果;热裂纹是由于制动盘摩擦面高温度区的边缘存在较大的内应力而萌生晶界裂纹,在径向和周向拉应力的作用下,裂纹沿晶界径向扩展而形成的;制动盘中不均匀的温度场分布造成不均匀变形,变形受阻形成热应力,热应力超过材料的高温强度导致制动盘开裂。此外,通过对制动盘热应力的研究,提出了产生制动盘热应力的五种约束。本文以热应力是否导致制动盘开裂为依据,采用有限元计算方法开展了SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘结构设计研究。分析了制动盘各组成单元对热应力的影响,提出了制动盘结构单元组合设计方法,归纳了制动盘结构设计的一般原则,设计出了满足280km/h紧急制动条件的铝基复合材料制动盘。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 铁道车辆盘形制动
• 1.2 铝基复合材料及其制动盘
• 1.3 论文的选题背景和研究现状
• 1.3.1 铝基复合材料的微观损伤
• 1.3.2 制动盘的热损伤
• 1.3.3 盘形制动的有限元分析方法
• 1.3.4 制动盘的结构设计研究
• 1.3.4.1 制动盘结构设计的主要影响因素
• 1.3.4.2 不同材料的制动盘结构
• 1.4 论文的研究内容和思路
• 1.5 论文的研究意义
• 第二章 铝基复合材料有限元模拟计算
• 2.1 铝基复合材料的室温和高温性能
• 2.1.1 铝基复合材料单向拉伸试验结果
• 2.1.2 铝基复合材料热物理性能试验结果
• 2.2 SICP/A356复合材料微观损伤弹塑性有限元计算
• 2.2.1 微观损伤弹塑性有限元计算模型的建立
• 2.2.2 热损伤机理的模拟计算结果
• 2.3 铝基复合材料单向拉伸微观损伤
• 2.4 复合材料均质假设有限元计算有效性研究
• 2.4.1 非均质颗粒增强铝基复合材料计算失效载荷
• 2.4.2 均质假设的颗粒增强铝基复合材料计算失效载荷
• 2.4.3 颗粒增强铝基复合材料均质假设有限元计算有效性分析
• 2.5 小结
• 第三章 制动盘热损伤的有限元计算方法
• 3.1 盘形制动热损伤间接耦合模型
• 3.1.1 接触界面的压力分布
• 3.1.2 摩擦系数的选择
• 3.1.3 材料热物性参数的选择
• 3.1.4 摩擦热量在制动盘和闸片间的分配
• 3.1.5 几何模型的简化
• 3.1.6 整盘间接耦合计算模型的建立
• 3.1.7 瞬态温度场分析理论
• 3.1.8 温度场求解的初始条件和边界条件
• 3.1.8.1 热流密度
• 3.1.8.2 对流换热系数
• 3.1.9 热应力计算
• 3.1.10 制动盘的开裂判据
• 3.2 两种盘形制动热损伤间接耦合计算方法的比较
• 3.2.1 部分盘间接耦合模型
• 3.2.2 整盘间接耦合模型
• 3.2.3 整盘间接耦合模型的有效性验证
• 3.3.3.1 紧急制动压力曲线
• 3.2.3.2 不同初速度的制动过程仿真
• 3.2.3.3 实际1:1动力制动台制动试验结果
• 3.3 盘形制动热损伤弹塑性热-机耦合模型
• 3.4 弹塑性热-机耦合模型的MARC实现
• 3.4.1 MARC软件介绍
• 3.4.2 几何模型的建立
• 3.4.3 初始条件和初始载荷
• 3.4.4 施加边界条件和定义接触体
• 3.4.5 材料属性
• 3.5 盘形制动弹塑性热.机耦合模型的有效性验证
• 3.6 不同模拟计算方法的适用范围
• 3.7 小结
• 第四章 制动盘的制动热损伤机理
• 4.1 制动盘热斑
• 4.1.1 热斑的形成机理
• 4.1.2 热斑的弹塑性热-机耦合计算
• 4.1.3 SiCp/A356复合材料制动盘少热斑的分析
• 4.1.3.1 铝基复合材料制动盘的弹塑性热机耦合计算
• 4.1.3.2 热斑的影响因素分析
• 4.2 制动盘表面热裂纹
• 4.2.1 表面热裂纹的形成机理
• 4.2.2 热裂纹的弹塑性熟-机耦合模拟计算
• 4.2.3 铝基复合材料制动盘无热裂纹分析
• 4.3 制动盘的开裂失效
• 4.3.1 制动热应力形成的有限元计算
• 4.3.1.1 制动盘模型的简化
• 4.3.1.2 制动热应力模拟结果分析
• 4.3.2 制动盘的结构热应力
• 4.3.3 制动盘的材料特征热应力
• 4.4 小结
• 第五章 铝基复合材料高速制动盘结构设计
• 5.1 铝基复合材料制动盘的服役特点
• 5.2 结构单元组合设计方法
• 5.2.1 制动盘结构单元的主要影确因素
• 5.2.2 制动盘结构单元的组合设计
• 5.2.3 制动盘结构设计的一般性原则
• 5.3 280KM/H高速制动盘结构设计
• 5.3.1 高速制动盘结构创新设计
• 5.3.2 铝基复合材料高速制动盘的温度场和应力场计算
• 5.3.2.1 模拟分析的前处理
• 5.3.2.2 模拟分析的后处理
• 5.3.3 多次连续紧急制动时制动盘热应力和热容量分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集