高速客車鋁基復合材料制動盤熱損傷和結構設計研究.pdf

1、輕量化是高速列車的關鍵技術之一。SiC顆粒增強鋁基復合材料用于高速列車制動盤可減少簧下重量、實現(xiàn)輕量化。但鋁基復合材料的膨脹系數(shù)較大、高溫強度偏低，復合材料制動盤很容易受到熱損傷，這使其使用速度受到限制。本文以有限元模擬計算為基礎，通過理論分析和試驗研究相結合的方法，開展了高速客車鋁基復合材料制動盤的熱損傷和結構設計研究。探討了熱損傷的特點和規(guī)律，在此基礎上開展了制動盤的結構優(yōu)化設計，提高了其適用的速度上限。 本文測試了20wt

2、％顆粒增強鋁基復合材料在不同溫度下的力學性能及熱物理性能，得到了這兩種性能隨溫度變化的曲線。通過有限元計算與試驗驗證相結合的方法系統(tǒng)研究了復合材料的微觀損傷機理，得知室溫下復合材料的裂紋萌生以基體撕裂和顆粒斷裂為主；高溫下其裂紋萌生機制以顆粒脫離和基體撕裂為主。開展了顆粒含量不同、顆粒含量相同但溫度不同的鋁基復合材料單向拉伸模擬計算，并通過與實測結果相比較，得出結論：顆粒含量不大于20wt％的復合材料的均質(zhì)假設有限元模擬計算是有效的。這

3、為20wt％顆粒增強鋁基復合材料制動盤的均質(zhì)假設有限元分析有效性奠定了基礎。 本文建立了三種制動盤制動過程有限元計算模型，并以1：1制動試驗中紅外線溫度成像系統(tǒng)測試的溫度為依據(jù)，分析了它們的特點和適用性。在部分盤間接耦合模型的基礎上，提出了整盤間接耦合計算模型。進一步研究了彈塑性熱-機耦合問題，建立了盤形制動多體接觸彈塑性熱-機耦合模型。為鋁基復合材料制動盤的熱損傷和結構設計研究進行了研究方法上準備。 本文采用有限元計算

4、、理論分析和試驗結果相結合的方法，研究了制動盤熱斑、熱裂紋和開裂三種熱損傷的形成機理、影響因素和預防措施。研究表明，熱斑是制動盤摩擦面局部高溫區(qū)的組織變化和高溫氧化的結果；熱裂紋是由于制動盤摩擦面高溫度區(qū)的邊緣存在較大的內(nèi)應力而萌生晶界裂紋，在徑向和周向拉應力的作用下，裂紋沿晶界徑向擴展而形成的；制動盤中不均勻的溫度場分布造成不均勻變形，變形受阻形成熱應力，熱應力超過材料的高溫強度導致制動盤開裂。此外，通過對制動盤熱應力的研究，提出了產(chǎn)