高速列車SiCp-A356復(fù)合材料制動(dòng)盤熱疲勞評(píng)價(jià)方法研究.pdf

1、盤型制動(dòng)作為最有效的安全制動(dòng)方式，已普遍被采用在提速和高速客車上。避免制動(dòng)強(qiáng)摩擦與高熱負(fù)荷所造成的制動(dòng)盤早期熱疲勞失效并預(yù)防崩盤惡性事故發(fā)生是制動(dòng)盤選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)高速列車上服役的制動(dòng)盤均為鑄鐵或鍛鋼材料，由于制動(dòng)盤屬簧下質(zhì)量，制動(dòng)盤質(zhì)量過大會(huì)增加能耗，并對(duì)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能有不利影響，因此，研究開發(fā)適合于高速列車服役工況的具有重量輕、耐磨損和耐熱性能好的制動(dòng)盤，具有非常重大的實(shí)際意義。 論文根據(jù)上

2、述背景，以國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目“高速客車用金屬基復(fù)合材料制動(dòng)件的研究與應(yīng)用”（2003AA331190）為支撐，對(duì)新開發(fā)的用于高速列車制動(dòng)盤的SiCp/A356顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱循環(huán)特性、斷裂機(jī)制、熱疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用有限元仿真技術(shù)與材料熱疲勞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)制動(dòng)盤熱疲勞裂紋形成和擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了深入的研究。主要內(nèi)容包括： 1．研究SiCp/A356顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料常溫和高溫的單調(diào)和循環(huán)拉伸特性、熱物理性

3、能以及各性能參數(shù)與溫度的相關(guān)性，從而建立了SiCp/A356復(fù)合材料的熱彈塑性本構(gòu)關(guān)系。 2．基于制動(dòng)盤的循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將泛函與熱傳導(dǎo)微分方程相結(jié)合，建立了制動(dòng)盤三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，采用順序耦合的數(shù)值計(jì)算方法，模擬了制動(dòng)盤在不同制動(dòng)工況下的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律，提出了熱殘余應(yīng)力的形成機(jī)制以及制動(dòng)盤盤面熱殘余拉應(yīng)力在裂紋形成與擴(kuò)展過程中的重要作用。 3．通過SiCp/A356切口試樣在20℃～300℃循環(huán)變溫下的

4、自約束熱疲勞試驗(yàn)，確定了裂紋擴(kuò)展速率與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系（a～da/dN），探討了試樣切口半徑R和試樣厚度對(duì)裂紋形成和擴(kuò)展的影響。采用有限元仿真技術(shù)，建立了顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料細(xì)觀體元的熱彈塑性本構(gòu)模型，重點(diǎn)針對(duì)熱循環(huán)作用下體元的細(xì)觀應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行描述，提出了顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料界面開裂的細(xì)觀機(jī)理。 4．根據(jù)SiCp/A356顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料熱疲勞試驗(yàn)獲得的參數(shù)，建立與試驗(yàn)工況一致的有限元仿真模型，以裂紋長(zhǎng)度與熱循環(huán)次數(shù)