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北京交通大学 博士学位论文 高速客车铝基复合材料制动盘热损伤和结构设计研究 姓名：杨智勇 申请学位级别：博士 专业：车辆工程 指导教师：韩建民 20080601 北京交通大学博士论文 中文摘要 摘要：轻量化是高速列车的关键技术之一。s i c 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2 0 w t 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2 0 w t 的复合材料的 均质假设有限元模拟计算是有效的。这为2 0 w t 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 ：l 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。在部分盘问接耦 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s i c 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2 8 0 k m h 紧急制动条件的铝基复合材料制动盘。 关键词：铝基复合材料；制动盘；热损伤；热斑；热裂纹；热应力；结构设计 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：l i g h t w e i g h tw a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h eh i g h - s p e e dt r a i n s u n s p r u n g w e i g h tc a l lb er e d u c e db yu s i n gs i c p a 3 5 6b r a k ed i s c ，s oa st or e d u c et h ew e i g h to fh i g h - s p e e d t r a i n s c o m p a r i n gt oi r o na n ds t e e l s ，s i c p a 3 5 6c o m p o s i t e sh a sl a r g e rl i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n t a n dl o w e rs t r e n g t ha th i g ht e m p e r a t u r e ，w h i c hi n c r e a s et h e r m a ld a m a g et e n d e n c ya n dl i m i ts p e e d r a n g eo fs i c p a 3 5 6b r a k ed i s c s b a s e do nf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h e r m a ld a m a g ea n ds t r u c t u r e d e s i g no fs i c p a 3 5 6b r a k ed i s cf o rh i i g hs p e e dt r a i nw e r es t u d i e di nt h i sp a p e rt h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h eb a s i so ft h er e s u l t s ，t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e b r a k ed i s cw a sc a r r i e do u ti no r d e rt oi n c r e a s et h es p e e do fi t sa p p l i c a t i o n t h em e c h a n i c a la n dt h e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h e2 0w t s i c p a 3 5 6c o m p o s i t e sa t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r et e s t e di nt i f f sp a p e r a n dt h ep r o p e r t y - t e m p e r a t u r ec u i v e sw e r eo b t a i n e d t h r o u g ht h em e t h o do ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s ，m i c r o - d a m a g em e c h a n i s mo f s i c p a 3 5 6c o m p o s i t e sw a si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y m i c r o d a m a g em e c h a n i s mo b t a i n e db yt h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw a sc o n s i s t e n tw i t l lt h em e c h a n i s mf r o mt h ef r a c t u r ea n a l y s i s i tc a nb e c o n c l u d e dt h a tt h ec r a c ki n i t i a t i o nm e c h a n i s mo ft h ec o m p o s i t e sa tr o o mt e m p e r a t u r ew a sm a i n l y t e a ro ft h em a t r i xa n df r a c t u r eo f s i cp a r t i c l e sm a i n l y ；w h i l et h em e c h a n i s mo ft h ec o m p o s i t e sa t h i g ht e m p e r a t u r ew a ss i cp a r t i c l ed e b o n d i n gf r o mt h em a t r i xa n dt e a ro ft h em a t r i x f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n so ft h em o n o t o n o u st e n s i l et e s t sw e r ec a r r i e do u tf o rd i f f e r e n tp e r c e n t a g eo fp a r t i c l ei n t h ec o m p o s i t e sa tr o o mt e m p e r a t u r e s ，a n dt h es a m ep e r c e n t a g eo fp a r t i c l ei nt h ec o m p o s i t e sa t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tc a nb e c o n c l u d e dt h a tw h e nt h ec o n t e n to fs i cp a r t i c l e si nt h ec o m p o s i t e sw a sn om o r et h a n2 0w t ，a f t e r t h eu n i f o r ma s s u m p t i o nf o rt h es i c p a 3 5 6c o m p o s i t e sw a sv a l i dd u r i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， w h i c he s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es i c p a 3 5 6b r a k ed i s c w i t hr e g a r dt of e mo fd i s cb r a k e , t h r e et y p i c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l sf o rt h eb r a k i n g s i m u l a t i o ni n t h i sp a p e rw e r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h et e m p e r a t u r ed a t ao b t a i n e db yi n f r a - r e d t e m p e r a t u r et e s ti m a g i n gs y s t e md u r i n g1 ：1d y n a m ot e s t ，t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a b i l i t yw e r e s t u d i e d o nt h eb a s i so ft h ep a r t - d i s ci n d i r e c tc o u p l i n gm e t h o d ，t h ef u l l - d i s ci n d i r e c tc o u p l i n gm o d e l w a sp u tf o r w a r db yc h a n g i n gt h ef l u x i n p u tm e t h o d a n dt h em u l t i - c o n t a c te l a s t i c - p l a s t i c t h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l i n gm o d e lo fd i s cb r a k ew a se s t a b l i s h e di no r d e rt o i n v e s t i g a t et h e t h e r m a l - m e c h a n i c a lc o u p l i n gp r o b l e m s t h i sp r o 访d e st h em e t h o d sf o rt h er e s e a r c ho nt h et h e r m a l d a m a g ea n ds t r u c t u r a ld e s i g no ft h eb r a k ed i s c i nt h ea s p e c to ft h e r m a ld a m a g em e c h a n i s ms t u d yo fs i c p a 3 5 6b r a k ed i s c ，t h ef o r m i n g 北京交通大学博士论文 m e c h a n i s m ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dp r e v e n t i v em e a s u r e so ft h r e et y p i c a lt h e r m a ld a m a g e si n c l u d i n g h o t s p o t s ，t h e r m a l - c r a c k sa n dc r a c k i n gw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h et e s tr e s u l t si nt h i sp a p e r 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a t h o t s p o tw a sc a u s e db yt h ec h a n g eo fs t r u c t u r ea n dt h eo x i d a t i o nd u et ot h eh i g l lt e m p e r a t u r ec a u s e d b ys u r f a t 弛f r i c t i o no nt h eb r a k e c r a c kf i r s t l yi n i t i a t e da tg r a i nb o u n d a r yd u et oh i g h e ri n t e r n a ls t r e s s a tt h ee d g eo fh i g ht e m p e r a t u r ef i d dc a u s e db ys u r f a c ef r i c t i o n 1 1 l ec r a c k sp r o p a g a t e da l o n gt h e g r a i nb o u n d a r yd u et ot h er a d i a la n dc i r c u m f e r e n t i a lt e n s i l es t r e s sa n df i n a l l yc r e a t e dt h e r m a l c r a c k s n o n - u n i f o r md e f o r m a t i o nw a sc a u s e db yn o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o nt e m p e r a t u r ef i e l di nt h eb r a k e d i s c f 晒锄t h ed e f o r m a t i o nw a sc o n s t r a i n e db yt h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lc o n s t r a i n t so ft h eb r a k e d i s c ，t h et h e r m a ls t r l e 豁w a si n t r o d u c e d i f t h et h e r m a ls t r e s sw a sb i g g e rt h a nt h es t r e n g t ho f m a t e r i a l s a tc o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e ，i tl e dt ot h ec r a c ko ft h eb r a k ed i s c i na d d i t i o n ，b a s e do nt h et h e r m a l s t r e s sr e s e a r c ho fb r a k ed i s k ，f i v ek i n d so fc o n s t r a i n t sw h i c hm i g h tl e a dt ot h e r m a ls t r e s sw e r e s u m m e du p c o n s i d e r i n gw h e t h e rt h et h e r m a ls t r e s sl e dt ob r a k ed i s cc r a c k i n g ，t h es t r u c t u r ed e s i g no ft h e s i c p a 3 5 6b r a k ed i s cw a ss t u d i e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h ee f f e c t so ft h eb r a k ed i s c c o m p o n e n t so nt h e r m a ls t r e s sw e r ea n a l y z e d as t r u c t u r a lc o m p o n e n t sc o m b i n a t i o nm e t h o da n d g e n e r a lp r i n c i p l e so fs t r u c t u r ed e s i g no ft h eb r a k ed i s cw e r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h e s er e s e a r c h e s ， ab 瑚l l ( ed i s cs t r u c t u r ew a sd e s i g n e dw h i c hs a t i s f i e dt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fe m e r g e n c y b r a k i n ga t2 8 0k m h k e y w o r d s ：s i c p a ic o m p o s i t e s ；b r a k ed i s c ；t h e r m a ld a m a g e ；h o t s p o t ；t h e r m a lc r a c k ； t h e r m a ls t r e s s ；s t r u c t u r ed e s i g n c l a s s n o ： 北京交通大学博士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 哆帮雾签字日期：伽年7 月1 日 1 1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储躲锣智勇导师繇露 签字日期：绷年7 月2 日 签字日期：腑年7 月2 - e l 北京交通大学博士论文 致谢 本文是在导师韩建民教授的悉心指导下完成的。在我的硕士和博士学习阶段，韩老师给 予了极大的支持和培养，倾注了大量的心血。韩老师严谨的治学态度和一丝不苟的工作精神 给我留下了深刻的印象，在几年的学习科研过程中，老师传授的知识和方法以及吃苦耐劳的 科研精神将使我终生受益。巍巍师恩，无以言表，在此深深感谢恩师韩建民教授。 感谢原北方交通大学校长王金华教授在科研过程中给予的悉心教诲和不吝赐教。先生以 其广博的知识、扎实的理论和精深的学术造诣为我排疑释惑，以其严谨的治学态度和谦和的 个人修养深深影响着我的科研理念、塑造着我的品格，使我真正体会到“师者”的深切内涵。 在论文的整个研究过程中，谢基龙教授给予了无私的帮助和指导，对论文的顺利开展提 出了许多宝贵意见，使我受益匪浅，在此表示诚挚的谢意。 课题组李卫京高工在我工作、学习和生活中给予了极大关心和无私帮助，李老师认真负 责的工作态度也值得我很好的学习，在此向李老师表示衷心的感谢。 本论文还得至b 了缪龙秀教授、李强教授的热心指导和帮助，两位老师博深的专业知识和 探索求知的科学态度使我受益匪浅，在此表示深深的感谢。 在科研和论文撰写方面，课题组的其他老师和同学也给予了我较多的支持和帮助，在此 一并感谢。 本论文的研究工作得到了“8 6 3 ”国家攻关项目( 2 0 0 3 a a 3 3 11 9 0 ) 的资金支持，特此致谢! 北京交通大学博士论文 第一章撅述 国家经济的蓬勃发展必然要求铁路等运输部门进一步加快铁路现代化的进 程。铁路高速化是铁路现代化的标志，是今后铁路的发展方向【l 。3 1 。我国铁路经过第 六次提速后，列车时速己达到或超过2 0 0 k i n 。旅客列车的高速化发展，对列车轻 量化提出了更高的要求。制动系统有效性是列车运行安全的一个关键问题，有效 的制动成为铁路安全运输的一个重要前提1 46 1 。 基础制动是利用摩擦直接将动能转化成热能的制动系统，是列车制动不可缺 少的制动方法。在紧急制动工况下，制动能量的转换通常采用基础制动，以摩擦 力转抉为主，即必须通过基础制动装置将运动能量转化为热能。传统的踏面制动 已不能满足高速列车安全运行的需要。盘形制动已经逐渐取代踏面制动，并成为 提速客车基础制动的主要方式。1 6 0 k m h 以上客车基本上都采用盘形制动口】。2 0 世纪7 0 年代，e l 本、法国、德国等国相继研制高速列车，其基础制动方式均采用 盘型制动【1 月：我国所有的双层客车、高速客车、准高速客车也均采用了盘形制动。 实践表明，盘形制动作为高速列车和快速货车的主要制动方式，将是制动技术发 展的必然趋势。 1 1 铁道车辆盘形制动 所谓铁道车辆盘形制动是在车轴上或在车轮辐板侧面安装铸铁、锻钢或铸钢 制动盘( 正在开发铝合会制动盘) ，用制动夹钳把以合成材料或粉末冶金材料制成的 两组闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，使列车停止前进。图1 - 1 所示为 轴装制动盘( a b d ) ，图1 2 所示为轮装制动盘( w b d ) 。轴装制动盘和轮装制动 盘的装置工作示意图如图1 3 ，图i - 4 所示。 剖1 - 1 a b d ( 铝基，德国i c e i ) f i g i - la x i a lb r a k e d i s c f a i m a t r i xg c f l l l 蛆 i c e l l 图i 一2w b d ( 钒基，e m uk o p e n h a g 朗) f i g1 2w h lb m k ed i s c ( a im a t r i xe m u k o p e n h a g e n ) 第一章概述 杆 图1 3a b d 装置工作示意图 f i g + 1 3w o r k i n gs c h e m eo f a b dd e v i c e 图1 4 w b d 装置工作示意图 f i g 1 _ 4w o r k i n gs c h e m eo f w b dd e v i c e 相对于踏面制动而言，盘形制动的显著优点是： ( 1 ) 能大幅减轻车轮踏面的机械和热作用，延长其使用寿命； ( 2 ) 制动可靠且制动距离短； ( 3 ) 噪音低和环境污染小； ( 4 ) 具有高于踏面制动的制动功率； ( 5 ) 能够提高制动初速度； ( 6 ) 通过盘和闸片之间的互配，两者之间能够获得高而稳定的摩擦系数。 1 2 铝基复合材料及其制动盘 节约型和环保型社会的创建和发展，对材料性能提出了越来越高的要求。传 统的钢铁材料由于其比强度、比模量、耐磨性等综合性能有一定的局限性，制造 产品的重量相对较大，使用寿命较短。具有更高综合性能的金属基复合材料于上 世纪7 0 年代末期出现并迅速发展3 1 ，尤其在铁路、航空、航天和军事等领域发 展和应用速度最快【1 4 , 1 6 。 铝基复合材料是研究较多、比较成熟的一类金属基复合材料【j 】。铝基复合材 料主要有三种类型：纤维增强铝基复合材料、晶须增强铝基复合材料和颗粒增强 铝基复合材料，它们的组织形态如图1 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示p 】。 颗粒增强铝基复合材料克服了纤维和晶须增强复合材料价格昂贵、生产工艺 复杂等缺点，具有制备成本较低、制备方法灵活多样的优点，已成为三十多年来 世界各发达国家广泛丌展研究的一个重要材料领域。我国政府于8 0 年代初，以 2 北京交通大学博+ 论文 “8 6 3 ”高技术研究发展计划的方式，连续l o 余年支持金属基复台材料的研发和应 用，追赶世界新材料和新技术的发展，已取得了很多研究成果，并建立了国家级 研究基地。 雾圈翳 c a ) 纤维增强x 4 0 0 ( b ) 晶须增强x 4 0 0( c ) 颗粒增强x 4 0 0 圈1 - 5 三种典型的铝基复台材料 f i g1 - 5 t h r e e t y p i c a ln l m i a t a n m a t r i xc o m p o s i t 龆 颗粒增强铝基复合材科具有比强度和比刚度高、导热性好、热容量高、耐磨 性及耐热性好、摩擦系数高而稳定等优点i s - n 3 】，兼有结构材料和功能材料的特点 这使其成为潜在的新一代高速列车制动盘材料。 采用颗粒增强铝基复合材料替代传统的钢铁材料，制动盘重量能够得到大幅 度的减少，如图1 - 6 所示【i - q 。该图中g c i 为球墨铸铁材料，a l u 为铝基复合材料。 从图中可以看出，轴装制动盘( a b d ) 重量减少4 0 左右，轮装制动盘( w b d ) 重量人约减少5 0 。通过采用铝基复合材料，每个轴装制动盘每年的费用节省3 4 7 马克，每个轮装制动盘每年的费用节省2 8 6 马克，如图l 一7 所示i ”i 。 日o c ld i s c a l ud i s c ： a m da m da m da m dw m d 图1 - 6 铝基复台材料制动懿减巫 f i gi - 6 w e i g h ts a v i n g f o r t h es i c p a 3 5 6c o m p o s i t eb r a k ed i s c 鼍旧毒j l 凶斟倒 竺；，固吲刚 lm 幽 垡 。p一 靳 o 彗棚删辅需器 第章概述 喜 暮 靠 扭 旺 参 量 宁 缸 拉 贮 m u n l c he m u u n d e r e j f o u n d k o p e n h a g e n 图l 一7 制动盘费用肖省 f i 9 1 - 7 c o s ts a v i n g o f d i f f tb r a k e d i s c 列车在高速运行时具有非常高的制动功率，在紧急制动时，巨大的制动热负 荷使制动盘产生很高的温升，常规的钢铁制动盘经常在盘面产生热斑，影响制动 盘的使用寿命。铝基复合材料的优良导热性能，使其热斑得以消除。图卜8 t ”1 比 较了模拟的球墨铸铁( g c i ) 和锚基复合材料( a l u ) 制动盘的制动温度场。从该 图中可以看出，对制动盘最高温度和最低温度的比值而言，球墨铸铁制动盘的比 值为31 ，而铝摹复合材料制动盘的比值为1 8 ，这反映出铝基复合材料( a i u ) 制 动盘的温度场均匀件明显优于球器铸铁( g c i ) 制动盘。 蔫 蛰b 懑澈。”耀 魄秽、q b k s p 晏款 垂| 巍 ：= 三3 0 0 ；裟。 图1 - 8 g c i 和a l u 制动温度场比较 f i g i - 8 t e 】1 1 p e m t u r e f i e l dc o m p a r i s o nb e t w 唧g c a n d a l u m i n u m b r a k e d i s c 幽1 9 和图1 1 0 分别是模拟得到的锻钢材料和铝基复合材料制动盘的制动温 度场和席力场分布云图，在相同的制动时刻，铝基复合材料制动盘的最高温升为 1 6 4 明硅低于锻钢制动盘的温升2 1 5 c ，如图1 9 所示：在相同的制动时刻，铝 基复台材料制动船制动热应力的分布均匀性优于锻钢制动珊的应力分布，两者的 戍力极值帽差1 0 ，如图l - 1 0 所示。 瓜 北京交通人学博士论文 嗜翟i ：= ；于 三! 罕 “) 愚，紫黑鼍罴黑焉署纂黑j 烹嚣舞黑? 譬黑覃霹妻筹篇。! 图1 - 9 温度场分布( a ) 锻钢制动盘：( b ) 铝基制动盘 f i 9 1 - 9 t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n 0 ) f o r g e ds t e e ld i s c ；哟s i c p a 3 5 6 h m d i s c 噌翟i ；i 野 黑= ，黑篡暑墨鬻譬冠! ：，烹， 黑署慧鬻警i i 霄i 鬻烹，。? ” 嗣1 1 0 v o n - m i s s 应力分巾( a ) 锻钢制动盘( b ) 锅基制动盘 f i gl - 1 0 v o n m i s ss i 瞄sd i s t r i b u t i o n ( a ) f o r g e ds t e e ld i s c ；( b ) s i c p a 3 5 6 b r a k e d i s c 德围k n o r r 公司对铝基复合材料制动盘多年装车试运行情况进行了分析 并埘球墨铸铁( g c i ) 制动盘和铝基复合材料( a l u ) 制动盘寿命周期成本进行了 比较，如图l - 1 l m l 所示。从该图中可以看出，铝基复合材料制动盘的耐磨性好， 使用寿命长；虽然在初期的投八略高于传统的钢铁材料制动盘，但长期经济效益 明显。因此，采用铝基复合材料替代传统的钢铁材料，既能达到轻量化的要求， 也能达到提高耐久性的目的。 图1 1 2 是铝基复合材料制动盘和粉末冶金闸片摩擦副在紧急制动时，得到的 不同制动初速度下的瞬时摩擦系数曲线图。该图表明，在不同的制动初速度下， 摩擦副具有较为稳定的瞬时摩擦系数，平均摩擦系数在o2 5 02 8 的范围内。 第幸概述 ：6 0 一旺_厂， 龆j 2 0 溅 03 5 靴翟 嚣翟 端 00 0 02 04 06 08 01 0 0 i2 0 1 4 0 1 6 0 18 02 0 0 速度一k m h 图i 1 2 瞬时摩擦系数速度曲线( 配粉末冶金闸片) f i 9 1 - 1 2 t r a n s i t f r i c t i o nc o e f f i c i e n t dc u r ”( p m p a d ) h 本、德国和法国已经开展铝基复合材料制动盘的研究，并取得了一定成果。 德国已经成功进行了2 8 0 k m h 高速列车铝合金制动盘的制动试验，德国k n o r r 公司制造的铝基复合村料制动盘已经在欧洲、香港和同本等地装车试运行，确定 了具有实用化的可能性，如图1 1 3 1 ”】所示。 2 0 0 0 年铁道郝屯项研究铝基复合材料制动盘；2 0 0 3 年在国家“8 6 3 ”高技术研究 发展计划的支特下，北京交通人学和湖南大学积极开展了铝基复合材料制动盘的 研发工作，现已取得阶段性成果。北京交通大学研发的铝基复合材料轴装制动盘 已申请幽家发明 利并获得授权。 北京交通大学博士论文 _l 篇篇0 “”i a m d5 1 0 x 1 3 。 _ _ a a efr e i g h t c ara m d6 0 x0 _ m u n 功u n d e r g m u n d a m d 6 4 0 x 1 2 0 _ 图i 1 3 铝基复合材料制动盘的使用情况 f i 9 1 1 3 a p p l i c a t i o n o f a l u m i n u m m a t r i xc o m p o s i t e b l a k e d i s c 1 3 论文的选题背景和研究现状 近年来国内外的研究者对常温下颗粒增强铝基复合材料的力学性能和断裂失 效机理研究较多，但是对于高温下铝基复合材料的力学性能和损伤行为需要开展 进一步的研究工作。国内外采用有限元模拟计算的方法对制动盘结构进行了积极 的研究。然而，模拟计算方法有待于进行改进，以达到与实际制动工况更加吻合 的目的。制动盘的结构，尤其是铝基复合材料制动盘的结构需要根据材料自身的 特点进行优化设计。制动盘的热损伤是导致制动盘疲劳失效的主要因素之一，但 到目前为止，对制动盘热损伤机理的研究丌展较少。 因此，本文以列车的高速轻量化发展为背景，以高速客车用铝基复合材科制 动盘为依托，主要丌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。 1 31 铝基复合材料的微观损伤 在温度作用下，s i c p ，a 3 5 6 复合材料的宏观力学行为的变化与其微观损伤机制 的变化密切相关。随着温度的升高，s i c p a 3 5 6 复合材料的微观损伤机制发生了变 化，在宏观上表现为材料力学性能明显下降。因此，研究复合材料的微观失效机 理能够揭示复合材料宏观力学性能变化的本质。 国外许多研究者开展了s i c 颗粒增强铝基复合材料常温力学性能和断裂机制 的研究。多种微观损伤机理已经被用十解释常温f 复合材料的损伤行为，存在三 种典型的材料损伤模型，即：( 1 ) 增强体在界面结合处脱离【l 目；( 2 ) 增强体的断裂 第一章概述 【1 9 】：( 3 ) 孔穴的生长和聚结导致的基体撕裂【2 0 1 。在常温下，s i c 颗粒与铝基体的界 面结合强度较高，复合材料的断裂表现为明显的颗粒断裂行为1 2 。s i c 颗粒断裂的 几率取决于颗粒的尺寸、颗粒百分含量及基体的强度。在室温下，由于大尺寸s i c 颗粒或团聚的s i c 颗粒本身存在较多的缺陷，因此裂纹易在较大的颗粒处萌生 2 2 , 2 3 1 。裂纹在扩展过程中，遇到s i c 颗粒时会发生扩展方向的改变【2 4 】。 国内对颗粒增强铝基复合材料的常温损伤已经开展了较多的研究工作【2 ”1 1 ， 主要考虑了s i c 颗粒的百分含型2 9 1 、尺寸3 0 】和形状3 1 1 的影响，研究方法主要是试 验研究。研究结果表明，颗粒增强铝基复合材料的损伤机理包括基体撕裂、颗粒 脱离和颗粒断裂三种方式。若界面结合力较强，能有效地使应力从基体转移到s i c 颗粒，颗粒就会发生断裂；若界面结合力较弱，变形基本上在基体中进行，s i c 颗 粒首先发生转动以协调基体变形，当界面上应力达到其断裂强度时，s i c 颗粒与基 体脱离，从而形成界面裂纹。在颗粒增强铝基复合材料断口中，上述的三种失效 方式同时存在，但每种方式所占的比重不同。 目前对颗粒增强铝基复合材料的强度和损伤机制的研究主要集中在常温下进 行，而对颗粒增强铝基复合材料的高温力学性能和微观损伤机理需要开展进一步 的研究。因此，本文对颗粒增强铝基复合材料的常温和高温下的力学性能和微观 损伤机理开展了较为系统的研究工作。 1 3 2 制动盘的热损伤 热斑、热裂纹和由于热应力导致的开裂是三种典型的制动盘宏观热损伤形式。 摩擦面热斑和热裂纹是多次制动后，制动盘摩擦面尤其是钢铁材料制动盘摩擦面 普遍存在的现象。热应力是在制动过程中由于温度引起的变形受到约束而在制动 盘内部产生的应力。热斑、热裂纹和热应力的出现会影响制动盘的使用寿命，严 重时将导致制动盘开裂。因此研究热斑、热裂纹和热应力的形成机理对于在制动 盘服役过程中有效地预防和降低其发生几率具有重要作用。 早在上世纪8 0 年代，白以龙【3 2 】在材料机械加工领域就发现了材料表面的温度 集聚现象。由于材料塑性变形的影响，导致材料加工后在表面可能存在热一塑剪切 带，热塑剪切带所在位置的材料温度明显高于非剪切带处的材料温度，热塑剪切 带中伴随着材料的组织变化，剪切带的宽度一般在数十至数百微米。 a j d a y 3 3 j 和m t i r o v i c 3 4 1 在详细地研究了盘式制动器的压力分布情况后， 认为闸片和制动盘之间产生的摩擦热并不是均匀地分布在滑动表面上，而是存在 温度的集聚区域。制动盘内部温度的不均匀分布，在制动盘的内部形成热应力【3 5 1 。 8 北京交通大学博士论文 制动盘摩擦面的温度集聚导致在其表层形成热斑，并在多次制动后，在摩擦面形 成热裂纹。但是，对于热斑和热裂纹的形成机理有待进一步的试验和理论研究。 因此，本文通过理论分析和有限元计算相结合的方法，开展了热斑和热裂纹的形 成机理研究。 国内外的研究者对于制动盘内部热应力已经开展了大量的研究工作【3 硝3 1 ，采 用的研究方法包括试验测试和有限元模拟计算。但是对于制动盘不同结构单元， 如散热筋、摩擦面等，对制动热应力的影响研究的较少。因此，本文采用有限元 计算和理论分析相结合的方法对此开展了研究工作。 1 3 3 盘形制动的有限元分析方法 随着有限元模拟仿真的日益成熟和完善，通过模拟仿真的方法研究制动盘的 制动温度场及热应力场成为可能。开展制动盘温度场、应力应变场模拟计算将大 幅降低制动盘的设计费用，有利于优化制动盘的结构设计。日本川崎公司正在有 效利用有限元( f e m ) 方法进行基本设计、热传导和热应力计算，以使盘的形状最佳 化【1 5 1 。由于实际的制动过程是非常复杂的，影响因素较多，因此，有限元模拟计 算必须对问题进行一定的简化，建立合理的简化分析模型。模型建立的合理性与 分析结果的有效性密切相关，所以开展盘形制动有限元建模方法的研究是非常必 要的。 有限元计算方法是目前广泛使用的求解制动温度场和应力场的方法。根据制 动能量的输入方式不同，可以分为直接耦合法和间接耦合法；根据建立模型的几 何特征不同，可以分为二维模型、部分盘模型和整盘模型。 在早期的制动温度场和应力场的计算过程中，为了简化计算和降低计算成本， 通常将问题简化为二维轴对称问题，人为假定接触条件及热流传输与坐标o 无关。 c h u n gk y u nk i m 3 6 j 等在研究高速列车全盘式制动器时，采用二维轴对称模型，利 用m a r c 非线性有限元分析程序来计算制动盘和闸片的温度分布、热变形和接 触应力。p z a g r o d z k i1 3 7 利用a b a q u s h k s 非线性有限元分析软件计算了二维情况 下瞬态摩擦生热引起的热弹性接触问题。p z a g r o d z k i 还在文献【3 7 ，3 8 】中利用有 限差分法计算了多片制动器的瞬态温度场及准稳态下的热应力分布情况。吴萌玲 在文献 3 9 ，4 0 】中研究了制动盘的温度场和应力场问题，认为摩擦盘圆周方向上在一 个时间间隔内其边界条件和约束条件都一致，为了简化计算，将三维温度按二维 处理，得出温度及应力变化情况。但是上述的研究均将制动盘简化为二维轴对称 模型，不考虑热源移动问题，在处理摩擦界面热耦合问题时，认为节点对处的温 9 第一章概述 度相等且流入两摩擦体的热流之和等于摩擦所产生的总热量，所以其计算将导致 弹性变形错误及接触条件失真【4 ，计算结果与实际也有较大差距。 郑剑云 4 2 】、王文静4 3 1 、丁群【4 4 1 、李继山【4 5 1 等在分析中对温度场也进行了轴对 称假设，取制动盘的一个对称周角作为分析对象，研究了中间带散热筋的轴装式 制动盘的热应力问题。假设制动过程中损耗动能的8 5 作为热载荷均匀施加在盘 体和闸片的有效接触区域上，并且假设损耗的动能是按照一定比例以热流密度的 方式输入制动盘。虽然该种计算方法相对于二维模型的计算方法已经有了一定改 进，但是该种模型并没有考虑到制动过程中盘体和闸片的接触区域是变化的这一 事实。 高诚辉、林谢昭【4 8 】建立了制动盘的三维整盘模型，考虑了摩擦热源移动的 影响，模拟求解了制动盘的非轴对称瞬态温度场。清华大学机械工程系【4 9 】利用 m s c m a r c 软件，采用热流移动