sicp_a356复合材料制动盘温度场应力场数值模拟及热疲劳寿命预测

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1、摘要摘要随着高速、重载技术的发展，现代铁道车辆的动能正在不断增加，强大的制动能力是保证列车安全可靠运行的重要条件。制动能量的转换在紧急制动时通常以机械制动为主，即必须通过基础制动装置的制动盘与闸片这对摩擦副将动能转化为热能，从而使制动盘，特别是高速列车制动盘处于强摩擦、高热负荷以及较大制动力和离心力等耦合的条件下工作。制动盘工作的可靠性几乎决定了整个基础制动装置的可靠性水平，直接影响车辆的行车安全，其中热疲劳是造成制动盘失效破坏的主要原因。关于工程结构熟疲劳方面的研究己开展很多，但对于铁道车辆制动盘热疲劳问题的研究报导却甚少。本文

2、以新型颗粒增强铝基复合材料(SiCpA356)制动盘为研究对象，在试验研究SiCp_A356复合材料常温与高温力学本构关系的基础上，系统地对制动过程中SiCp_A356复合材料制动盘的空气流场、瞬态温度场和应力应变场以及其热疲劳寿命预测方法进行了研究，并探讨了制动盘材料的热疲劳性能，为其结构设计和工程应用提供参考。本文主要进行了以下几个方面的研究工作：1．通过常温与高温力学性能试验，建立了SiCp—A356复合材料的循环热弹塑性一蠕变本构模型。试验研究了SiCp_A356复合材料在20。C～450。C之间的拉伸力学性能、循环应力应

3、变响应以及应力松弛行为，以经典的弹塑性增量理论作为塑性模型、以经典的Dorn幂率方程作为蠕变模型，引入温度效应，建立了适用于制动盘结构分析的热弹塑性一蠕变本构模型。2．提出制动盘这类具有周期循环对称性质结构温度场求解的热传导有限元数学模型。将泛函分析与热传导微分方程相结合，建立了具有周期循环对称性质制动盘结构温度场求解的有限元数学模型，使计算模型和计算规模大大简化，并为其温度场数值模拟奠定了理论基础。3．采用多物理场耦合分析建立了制动盘温度场数值模拟计算模型。依据制动盘的运用工况，确定了温度场数值模拟边界条件：分别从能量守恒和功能

4、转换原理确立了制动过程的热量输入方法，并用随时间和半径变化的热流密度作为热负荷计算参量；考虑到制动盘散热筋的通风冷却，运用对流换热原理和多场祸合方法，利北方交通人学1一学博士’≯位论文用ANSYS软件进行流一热场气固耦合计算，确定了制动盘表面对流换热系数。以此边界条件为基础，进行了SiCp_A356复合材料制动盘和合金铸铁制动盘紧急制动过程温度场的数值模拟计算，并与合金铸铁制动盘制动试验数据比较，验证了所建立模型和方法的可行性和有效性，为应力应变场分析奠定了基础。4．应用热弹塑性力学模型建立了制动盘应力应变场分析模型。结合铁道车辆

5、制动盘的载荷特点，运用热弹塑性有限元分析模型，在ANSYS软件上进行了制动盘的多线性随动强化热弹塑性应力应变场数值模拟。结果表明：紧急制动温度载荷引起的热应力比离心力、闸片压力和摩擦力引起的应力大的多，不均匀温度场是产生制动盘应力应变场的主要因素；周向应力是引起制动盘摩擦外表面裂纹萌生和扩展的主要应力分量；SiCp承受较小的应力和应变。5．建立了制动盘热疲劳寿命的理论预测模型。在确定了SiCpA356复合材料制动盘疲劳危险部位的基础上，考虑材料的高温疲劳与蠕变损伤，基于弹性分析进行了制动盘疲劳一蠕变损伤分析和寿命预测，并试验研究了

6、SiCpA356复合材料的常、高温低周疲劳性能，得到了制动盘不同初速度紧急制动下的热疲劳寿命。预测结果表明，在160km／h初速度紧急制动过程中SiCpA356复合材料制动盘的蠕变损伤占6％左右，而在300km／h初速下已达到40％左右。因此，在高速运行制动条件下-SiCp—A356复合材料制动盘的寿命预测必须考虑蠕变损伤的影响。6．进行了制动盘材料热疲劳试验研究，并提出热疲劳抗力指标R。用自行设计的热疲劳试验装置，根据制动盘工作载苟的变温特点，探讨了符合制动盘工况的材料热疲劳试验方法。试验研究了制动盘材料的抗热疲劳性能，建立Tk

7、'ti定材料热疲劳抗力指标R，依据该指标，可以对材料的热疲劳性能做出判断，为制动麓选材提供～种新的思路和方法，从而可以节省大量选择制动盘材料的试验时间与费用。关键词：SiCp_A356复合材料，热疲劳，数值模拟，制动盘，本构模型，寿命预测——————_——————————————————————————————————_—————————_—————●_————————一——!!．矍．一一——一AbstractWiththedevelopofthehighspeedandload，thekineticenergyoftheroll

8、ingstockbecomeshigherandhigherandthebrakebehaviorgetsmoreandmoreimpoffanttoguaranteethecarssafety,ofwhich，themechanicalbrake