炭/炭复合材料刹车盘制动温度场、应力场的模拟及验证

论文摘要

炭／炭复合材料具有优良的摩擦磨损和耐烧蚀性能,在航空航天领域中已得到了广泛的应用。在相关研究中,热应力的影响逐渐得到重视。但因在制动过程中,热应力的准确测量较困难。所以,本文以两种机型用的三种炭/炭复合材料飞机刹车副为研究对象,采用有限元技术,计算其在制动过程中的温度场、热应力场,并探讨了温度、热应力对材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：1)通过计算发现,在正常着陆能载条件下,A机型国外样件的新件、90%磨损件及100%磨损件的最高温度分别为1214℃、1280℃和1317℃,由于其导热性能较差,形成的温度梯度较大；而A机型国内样件由于其优良的高温导热性能,刹车副产生的温度较低,其新件、90%磨损件及100%磨损件的最高温度分别为733℃、914℃和953℃,温度梯度较小。但是,不同磨损程度的两种样件均在靠近压紧盘的第一个静盘处产生了热量集中。B机型国内样件在正常着陆、超载着陆两种能量条件下的温度场变化类似,仅在数值上存在一定的差别,超载着陆时摩擦表面的温度较高,约为902.2℃。但是B机型国内样件是在靠近中间静盘处产生了热量集中。实验测定的温度结果与计算结果一致,证明了有限元方法计算的有效性。2)通过计算得到三种样件在正常着陆条件下和B机型国内样件在不同能载条件下的热应力场分布云图。在正常着陆条件下,三种试样均在靠近外径的位置出现热应力最大值,且轴向和径向存在热应力梯度。三种试样的最大热应力值分别为34MPa、13.5MPa、17MPa,其中A机型国外样件的热应力最大,A机型国内样件最小。B机型国内样件在在超载着陆时的最大热应力为29.4MPa,约为正常着陆时的2倍。3)研究了三种样件在中间静盘测温点处的热应力随时间的变化。发现,A机型国外样件的热应力持续走高,而A机型国内样件的热应力在制动初期达到峰值后迅速降低。B机型国内样件的热应力在两种能载条件时的变化趋势相似,均是在制动初期出现较小的峰值,随着制动过程的进行,热应力迅速下降而后逐渐增大,并趋于稳定。4)研究A机型国、国内两种样件的摩擦表面和磨屑形貌可知,制动过程中较高热应力的存在使得A机型国外样件的摩擦表面产生了应力石墨化作用,改善其摩擦磨损性能。而A机型国内样件在制动过程中所产生的较低的热应力对摩擦表面摩擦膜的形成有促进作用,且形成磨屑较为细小,增加了配副间的实际接触面积,提高制动效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.1.1 飞机刹车装置及其制动过程
• 1.1.2 飞机刹车要求及材料选择
• 1.2 炭/炭复合材料的基本性能及其摩擦磨损机理
• 1.2.1 炭/炭复合材料的基本性能
• 1.2.2 炭/炭复合材料的热解炭基本类型
• 1.2.3 炭/炭复合材料的摩擦磨损机理研究
• 1.3 刹车副温度场、热应力场研究
• 1.3.1 刹车副温度场、热应力场的数值模拟研究概述
• 1.3.2 ANSYS有限元法的分析过程
• 1.4 本文的研究背景和意义
• 1.5 论文研究的主要内容
• 第二章 飞机刹车副性能检测及其边界条件的确定
• 2.1 基本性能检测方法及设备介绍
• 2.1.1 石墨化度分析
• 2.1.2 比热容和热导率的测定
• 2.1.3 热膨胀系数分析
• 2.1.4 弹性模量和泊松比的测量
• 2.2 地面惯性台实验
• 2.3 解析模型及定解条件的确定
• 2.3.1 施加位移约束
• 2.3.2 摩擦表面热流密度的确定
• 2.3.3 对流换热系数的确定
• 2.4 实验试样编号
• 第三章 刹车副在正常着陆能量条件下的温度场、热应力场
• 3.1 前言
• 3.2 两种样件的基本性能
• 3.2.1 金相组织及石墨化度
• 3.2.2 热物理性能
• 3.3 两种新样件在制动过程中的温度场、热应力场
• 3.3.1 刹车副温度场、热应力场的有限元技术求解过程
• 3.3.2 有限元模型的建立
• 3.3.3 仿真结果及对比分析
• 3.3.4 高温热应力对材料摩擦磨损性能的影响
• 3.4 正常着陆能量条件下刹车副在不同磨损程度时的制动温度场结果对比
• 3.4.1 两种样件在90%磨损时的温度场结果对比
• 3.4.2 两种样件在100%磨损时的温度场结果对比
• 3.4.3 两种样件在三种不同磨损程度下的结果对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 刹车副在不同能量条件下的温度场、热应力场
• 4.1 前言
• 4.2 样件的基本性能分析
• 4.3 有限元模型的建立及其网格划分
• 4.4 样件在两种工况下的结果对比
• 4.4.1 温度场结果对比
• 4.4.2 热应力场结果对比
• 4.5 结论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果