高速列车SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳评价方法研究

摘要

盘型制动作为最有效的安全制动方式，已普遍被采用在提速和高速客车上。避免制动强摩擦与高热负荷所造成的制动盘早期热疲劳失效并预防崩盘恶性事故发生是制动盘选材和结构设计中需要考虑的重要环节。目前，国内高速列车上服役的制动盘均为铸铁或锻钢材料，由于制动盘属簧下质量，制动盘质量过大会增加能耗，并对转向架的动力学性能有不利影响，因此，研究开发适合于高速列车服役工况的具有重量轻、耐磨损和耐热性能好的制动盘，具有非常重大的实际意义。 论文根据上述背景，以国家863计划资助项目“高速客车用金属基复合材料制动件的研究与应用”（2003AA331190）为支撑，对新开发的用于高速列车制动盘的SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料的热循环特性、断裂机制、热疲劳性能进行了试验研究，采用有限元仿真技术与材料热疲劳试验相结合的方法，对制动盘热疲劳裂纹形成和扩展规律进行了深入的研究。主要内容包括： 1．研究SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料常温和高温的单调和循环拉伸特性、热物理性能以及各性能参数与温度的相关性，从而建立了SiCp/A356复合材料的热弹塑性本构关系。 2．基于制动盘的循环对称结构特点，将泛函与热传导微分方程相结合，建立了制动盘三维瞬态温度场的数学模型，采用顺序耦合的数值计算方法，模拟了制动盘在不同制动工况下的循环应力应变响应规律，提出了热残余应力的形成机制以及制动盘盘面热残余拉应力在裂纹形成与扩展过程中的重要作用。 3．通过SiCp/A356切口试样在20℃～300℃循环变温下的自约束热疲劳试验，确定了裂纹扩展速率与热循环次数的关系（a～da/dN），探讨了试样切口半径R和试样厚度对裂纹形成和扩展的影响。采用有限元仿真技术，建立了颗粒增强金属基复合材料细观体元的热弹塑性本构模型，重点针对热循环作用下体元的细观应力应变响应进行描述，提出了颗粒增强金属基复合材料界面开裂的细观机理。 4．根据SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料热疲劳试验获得的参数，建立与试验工况一致的有限元仿真模型，以裂纹长度与热循环次数及试样尺寸的关系为准则，提出了定量分析复合材料热应变寿命（△εT/2～2Nf）和热疲劳裂纹扩展速率曲线（da/dN～△K）的有限元方法。 5．采用热弹塑性有限元法，确定了制动盘表面缺口的循环应力-应变响应特性和裂纹应力强度因子，提出了高速列车SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳裂纹形成与扩展规律的评价方法。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章 引言

1.1 论文选题背景及工程意义

1.2 国内外相关研究状况综述

1.2.1 制动盘材料的发展

1.2.2 制动盘热损伤及破坏的主要形式

1.2.3 热疲劳分析评价方法的现状

1.2.4 制动盘热疲劳的研究现状

1.3 论文主要研究内容和方法

第二章 SiCp/A356复合材料的材料性能研究

2.1 SiCp/A356复合材料的拉伸性能研究

2.1.1 SiCp/A356复合材料

2.1.2 SiCp/A356复合材料常温和高温单调拉伸性能试验

2.1.3 SiC/A356复合材料常温和高温循环应力应变关系的试验

2.1.4 SiCp/A356制动盘材料的热弹塑性本构关系

2.1.5 断口形貌

2.2 SiCp/A356断裂韧度的测试

2.2.1 SiCp/A356断裂韧性试样

2.2.2 预制疲劳裂纹

2.2.3 试验方法及数据结果处理

2.3 SiCp/A356复合材料的热物理性能研究

2.4 小结

第三章 SiCp/A356复合材料制动盘热应力场的有限元模拟

3.1 SiCp/A356制动盘摩擦制动试验

3.2 制动盘瞬态温度场理论模型

3.2.1 制动盘瞬态传热模型

3.2.2 制动盘热传导有限元模型

3.3 弹塑性热应力计算的理论模型

3.3.1 屈服条件和屈服函数

3.3.2 应变理论

3.4 制动盘热应力场仿真的实现

3.4.1 制动盘材料的物理参数与机械性能参数

3.4.2 边界条件的确定

3.5 各种不同制动工况的边界条件

3.5.1 制动盘输入热流的计算

3.5.2 应力场有限元计算参数设定

3.6 有限元计算结果与分析

3.6.1 温度场计算结果及分析

3.6.2 热应力场有限元计算结果与分析

3.6.3 残余应力对后续制动的影响

3.7 小结

第四章 SiCp/A356复合材料热疲劳试验研究

4.1 热疲劳试验简介

4.1.1 试验方法

4.1.2 用“单组试样法”测定α—N曲线

4.2 SiCp/A356复合材料热疲劳试验

4.2.1 试验材料与方法

4.2.2 试验结果与讨论

4.3 SiCp/A356复合材料热疲劳裂纹形成与扩展机理分析

4.3.1 热疲劳裂纹的形成机制的有限元分析

4.3.2 热疲劳裂纹扩展机理分析

4.4 不同制动盘材料的比较

4.5 小结

第五章 SiCp/A356复合材料热疲劳裂纹形成与扩展规律研究

5.1 SiCp/A356复合材料热疲劳应变—寿命曲线

5.1.1 局部应力应变法

5.1.2 热疲劳寿命预测模型

5.1.3 有限元法技术方案

5.1.4 有限元模型与边界条件

5.1.5 热应变寿命曲线

5.1.6 材料热疲劳与高温低周循环疲劳强度的比较

5.2 SiCp/A356复合材料热疲劳裂纹扩展规律研究

5.2.1 应力强度因子 K 的表达

5.2.2 裂尖塑性区修正

5.2.3 小范围屈服时表面裂纹的应力强度因子修正

5.2.4 小范围屈服下的裂纹尖端张开位移(CTOD—Crack Tip Opening Displacement)

5.2.5 有限元法求解应力强度因子

5.2.6 SiCp/A356热疲劳裂纹扩展速率方程的建立方法

5.2.7 热循环试验载荷下切口试样裂纹尖端应力强度因子模拟

5.2.8 SiCp/A356复合材料da/dN～△K 曲线参数的确定

5.3 小结

第六章 SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳评价

6.1 制动盘盘面热疲劳裂纹形成寿命估算

6.1.1 循环载荷工况的确定

6.1.2 疲劳累积损伤理论

6.1.3 制动盘盘面热疲劳损伤参量及裂纹形成寿命评价

6.2 制动盘热疲劳裂纹扩展寿命评价

6.2.1 制动盘面裂纹规则化处理

6.2.2 制动盘等效裂纹体

6.2.3 制动盘摩擦面上裂纹应力强度因子的计算方法

6.2.4 截面应力的线性化处理及叠加方法

6.2.5 拉、弯载荷组合作用下制动盘摩擦环半椭圆表面裂纹的应力强度因子

6.2.6 制动盘热疲劳裂纹扩展寿命评价方法

6.2.7 制动盘摩擦面热疲劳裂纹扩展寿命评价结果

6.3 小结

第七章 结论与展望

7.1论文的主要结论

7.1.1 SiCp/A356复合材料热弹塑性及热物理参数性能研究

7.1.2 SiCp/A356复合材料制动盘温度及应力场的有限元模拟

7.1.3 SiCp/A356复合材料的热疲劳试验研究

7.1.4 SiCp/A356复合材料热疲劳性能的有限元模拟

7.1.5 SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳寿命评价

7.2 论文的主要创新点

7.3 下一步工作展望

参考文献

作者简历