高速客車鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤熱損傷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、輕量化是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一。SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于高速列車制動(dòng)盤可減少簧下重量、實(shí)現(xiàn)輕量化。但鋁基復(fù)合材料的膨脹系數(shù)較大、高溫強(qiáng)度偏低，復(fù)合材料制動(dòng)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(jì)算為基礎(chǔ)，通過理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，開展了高速客車鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤的熱損傷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。探討了熱損傷的特點(diǎn)和規(guī)律，在此基礎(chǔ)上開展了制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了其適用的速度上限。 本文測試了20wt

2、％顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在不同溫度下的力學(xué)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(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了復(fù)合材料的微觀損傷機(jī)理，得知室溫下復(fù)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(jī)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(fù)合材料單向拉伸模擬計(jì)算，并通過與實(shí)測結(jié)果相比較，得出結(jié)論：顆粒含量不大于20wt％的復(fù)合材料的均質(zhì)假設(shè)有限元模擬計(jì)算是有效的。這

3、為20wt％顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤的均質(zhì)假設(shè)有限元分析有效性奠定了基礎(chǔ)。 本文建立了三種制動(dòng)盤制動(dòng)過程有限元計(jì)算模型，并以1：1制動(dòng)試驗(yàn)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(diǎn)和適用性。在部分盤間接耦合模型的基礎(chǔ)上，提出了整盤間接耦合計(jì)算模型。進(jìn)一步研究了彈塑性熱-機(jī)耦合問題，建立了盤形制動(dòng)多體接觸彈塑性熱-機(jī)耦合模型。為鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤的熱損傷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了研究方法上準(zhǔn)備。 本文采用有限元計(jì)算

4、、理論分析和試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的方法，研究了制動(dòng)盤熱斑、熱裂紋和開裂三種熱損傷的形成機(jī)理、影響因素和預(yù)防措施。研究表明，熱斑是制動(dòng)盤摩擦面局部高溫區(qū)的組織變化和高溫氧化的結(jié)果；熱裂紋是由于制動(dòng)盤摩擦面高溫度區(qū)的邊緣存在較大的內(nèi)應(yīng)力而萌生晶界裂紋，在徑向和周向拉應(yīng)力的作用下，裂紋沿晶界徑向擴(kuò)展而形成的；制動(dòng)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(yīng)力，熱應(yīng)力超過材料的高溫強(qiáng)度導(dǎo)致制動(dòng)盤開裂。此外，通過對制動(dòng)盤熱應(yīng)力的研究，提出了產(chǎn)