（材料加工工程专业论文）高速列车制动盘热—机耦合数值模拟.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前，高速铁路已经在发达国家城际干线地面交通中占据了主导地位，随 着我国京沪高速铁路的破土动工，我国高速列车的时代也到来了作为列车安 全运行的关键技术制动盘的研发几乎是列车进一步提速的瓶颈，而国内正在生 产和使用的制动盘材料还不能满足3 0 0 k m h 高速列车的使用要求，现阶段国内 高速列车制动盘主要依赖进口。基于这个现状开展了本文的工作。 本文采用高度非线性有限元软件m s c m a r c 建立热机耦合的3 d 模型，结合 1 ：l 制动动力试验台试验，模拟了2 0 0 k m h 高速列车制动盘制动过程中温度和应 力变化情况。在2 0 0 k m h 模型的基础上，模拟了3 0 0 k m h 高速列车制动盘制动 过程中温度和应力变化情况，考查制了不同动盘材科的机械性能参数以及热物 理性能参数对制动过程中温度和应力的影响，分析了这些参数对制动盘抗热裂 性能的影响，为研发新型制动盘的选材提供了重要参考。分析了制动过程中不 同期间温度和应力的在摩擦表面径向以及周向、厚度方向的分布及变化规律， 发现在制动过程中制动盘摩擦面的温度分布呈高温环带分布，在这些环带及附 近点上的周向应力始终大予径向应力，这些导致盘面的热裂纹总是在盘面上从 盘的内径向外径分布。并在国外热喷涂制动盘的基础上提出了在普通制动盘材 料的表面复合耐热耐磨性能好的材料来提高制动盘制动性能而降低成本的构 思，通过有限元数值模拟验证了这一构思。 最后对本文的研究进行了总结并提出进一步提高模拟精度的工作方向，以 及进行台架试验或者更经济的同比例缩减规模的物理试验模拟的展望。 关键词高速列车；制动盘；热机耦合分析；表面复合层；抗热裂性 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s tr a c t a tp r e s e n t , h i 曲- s p e e dr a i l w a yh a sa l r e a d yt a k e nt h ep r e d o m i n a n tp l a c eo f 掣口u n dt r a n s p o r t a t i o nt r u n kb e t w e e n c i t i e so fd e v e l o p e dc o u n t r i e s w i t ht h e b e g t m a gc o n s t r u c t i o no fb c i j i n g - - s h a n g h a ie x p r e s sr a i l w a y , t h ee r ao fh i 曲s p e e d w a i ni sc o m i n gi nc h i n a 砀cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f b r a k ed i s c st h a ti st h ek e y t e c h n o l o g yo ft r a i ns a f eo p e r a t i o nb g c o m et h eb o t t l e n e c kf o rh i g h e rs p e e dt r a i n t h c m a t e r i a l sf o rb r a k ed i s c st h a ti su n d e rp r o d u c ea n du s e di nc h m ac a n tm e e tt h e r e q u i r e m e n tf o rh i g h - s p e e dt r a i no f3 0 0 r a n h , m o s t l yd e p e n do ni m p o r t n cp r e s e n t w o r kw a sc a r r i e do u tb a s e do nt h e s e n 圮v a r i e db e h a v i o ro ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s si nd i s cw a ss i m u l a t e di nt h e d u r a t i o no f2 0 0 k m hh i g h s p e e dt r a i nb r a k i n g , t h eh i g h l yn o n l i n e a r 矗i l i l ce l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r em s c 。m a r cw a sa d o p t e dt ob u i l dc o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a l t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l s ，c o m b i n e dw i t ht h e1 ：1d y n a m i cb e n c ht e s t b a s i n g t h e m o d e lo f2 0 0 k m h ，i tw a ss i m u l a t e d 也a tt h ev a r i e db e h a v i o ro ft e m p e r a t u r ea n d s t r e s si nd i s cd u r i n gt h ec o u r s oo f3 0 0 k m hh i g h - s p e e dt r a i nb r a k i n 舀1 1 托i n f l u e n c eo f d i f f e r e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h c r m o - p h y s i c sp r o p e r t i e so fb r a k ed i s cm a t e r i a l s t h a ta c to nt h et e m p e r a t u r e sa n ds t r e s s e si nt h ec o u r s eo fb r a k i n gw a st e s t e d , a n dt h e e f f e c t o f t h e s e p r o p e r t i e s o nr e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e o f t h e r m a l c r a c k i nd i s c w a s a n a l y z e d t h e s ep r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c e sf o r t h es e l e c t i o no ft h en e wm a t e r i a l so f b l r k cd i s c s t h cd i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o nl a w o ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s sa td i f f b r e n t b r a k i n gp e r i o di nr a d i a la n d c i r c u m f e r e n t i a lf r i c t i o ns u r f a c ea n dt h i c h e s sh e a d i n g w a sa n a l y z e d i tw a sf o u n d e dt h a tt h e r ew a sd i f f e r e n th i g ht e m p e r a t u r ec y c l i c a lb a n d s d i s t r i b u t e di nf r i c t i o ns u r f a c e a n dt h es t r e s si nn o d e so ft h e s eb a n d sw a sh i g h e ri n c i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o nt h a ni nt h er a d i a lo n e c o n s e q u e n t l y ，t h et h e r m a lc r a c k sw a s a l w a y sf o u n di nt h er a d i a ld i r e c t i o no fs u r f a c ee x t e n d i n gf r o mt h ei n n e rr a d i u st ot h e o u t e rr a d i u s ac o n c e p t i o nb a s e do nt h ef o r e i g nt h e r m a ls p r a y i n gb r a k ed i s c , s u r f a c e o v e r l a y i n gm a t e r i a l st h a th a v ee x c e l l e n tc a p a b i l i t i e so f h e a tr e s i s t a n c ea n da n t i f r i c t i o n o i lo r d i n a r yb r a k i n gm a t e r i a l st oi m p r o v et h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ea n dc u tt h ec o s t , t h a tw a s p r e s e n t e d i h ec o n c e p t i o nw a s d e m o n s t r a t e db yf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n s a tl a s t , s u m m a r yw a sm a d ea n dd i r e c t i o n so ft h ew o r kt oi n c r e a s et h ep r e c i s i o n o fs i m u l a t i o n sw a sp r o p o s e d af o i l - s c a l eb e n c ht e s to rae c o n o m i c a ls a m es c a l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ll 页 础c c d - s c a l cp b i y s i c a ls i m u l a t i o nw a sn e e d e d k e yv o r d s ：h i g h - s p e e dt r a i n , b r a k cd i s c , c o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a la n a l y s i s ， s u r f a c ec o a t i n g , b e h a v i o ro ft b c n n a lc r a c kr e s i s t a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 高速列车国内外发展现状 2 0 世纪后期，高速铁路在激烈的客运市场竞争中以其突出的技术经济优 势，不但在其发祥地日、法、德等国家占据了城际干线地面交通的主导地位， 并在世界诸多经济发达国家和地区迅速扩展。时至今日，高速铁路新线总长已 逾5 0 0 0 k m 由于高速铁路与既有干线固有的兼容性，高速列车通过既有线服务 的里程已扩展至2 0 0 0 0 k m 以上。 目前，国际公认列车最高运行速度达到2 0 0 k m h 及其以上的铁路叫高速铁 路。速度是高速铁路的技术核心，也是其主要的技术经济优势所在1 9 6 4 年1 0 月日本建成世界上第一条高速铁路一东海道新干线，列车最高运行速度达到 2 1 0k m h 。此后，列车试验速度不断被刷新：1 9 8 1 年2 月法国t g v 高速列车的 试验速度达到3 8 0 k m h ；1 9 8 8 年5 月德国i c e 高速列车把这一记录提高到 4 0 6 9 k i n h ；半年后法国又创造了4 8 2 4 k m h 的新纪录，1 9 9 0 年5 月法国再次刷 新了自己的记录，把高速列车的试验速度提高到5 1 5 3 k m h 。与此同时，德国和 日本还在研究磁悬浮列车，其试验速度分别达到了4 5 0 k m h 和5 8 1 k m b 。在世界 高速铁路总里程中，日、法、德三国共占8 4 ，是高速铁路技术最先进、运营经 验最丰富的国家 根据中长期铁路网规划，我国需要建设客运专线i 2 万千米以上，客车 速度目标值达到2 0 0k m h 及以上但由于磁浮列车的不兼容、成本过高而无力 使用。新建客运专线采用轮轨高速列车是我国高速铁路建设的主流 。高速铁路配套技术取得突破，掌握高速铁路建设相关技术”是我国在铁 路科技发展“十五”计划和2 0 1 5 年长期规划纲要中提出的铁路科技发展目标 之一。研究制动技术是。十五”期间至2 0 1 5 年高速技术方面的重点任务之一。 1 2 高速列车盘形制动技术 列车在高速状态下能否停得下来是安全的关键，主要是要解决制动问题， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 刹车要可靠，传统的踏面闸瓦制动适应不了高速列车的需要于是一种新型的 制动装置盘形制动应运而生 国际铁路联盟规定：在动力制动失效的情况下，机械摩擦制动必须保证高 速列车能在规定的距离内停车，以确保行车安全因此摩擦制动是高速列车最 终实现停车所必不可少的基本制动方式。由于盘形制动在制动功率、减少车轮 踏面热损害等方面具有踏面制动所无法比拟的优越性，因此成为高速列车摩擦 制动的主导方式。盘形制动在国外高速列车的动力分散式和动力集中式的高速 动车组上都取得了广泛的应用。世界主要高速列车制动方式列于表1 - 1 。 表1 - 1 世界主要高速列车制动方式” 列车型号最高速度制动方式拖车每根轴制动盘数 ( k m h )( 个) 3 0 0 系( 日本) 3 0 0 动力+ 盘形 2 t g v - a ( 法国) 3 0 0 动力、盘形 4 t g v 稍e ( 法国) 2 7 0 动力，盘形、踏面 4 i c e ( 德国) 3 0 0 动力、盘形+ 磁轨4 京沪2 0 0k 匝h 2 0 0 动力、盘形 3 京沪3 0 0k m h 3 0 0 动力、盘形+ 磁轨 4 1 2 1 基础制动 基础制动装置是指从制动缸活塞杆( 或推杆) 到闸瓦或闸片之间所使用的 一系列杠杆、拉杆、制动梁等各种零部件所组成的机械装置。基础制动装置的 形式，按设置在每个车轮上的闸瓦块数及其作用方式，可分为单闸瓦式、双闸 瓦式、多闸瓦式基础制动装置及盘形基础制动装置等0 1 盘形制动是高速列车的 最基本的基础制动方式。根据制动盘安装位置的不周可分为轮盘和轴盘两种， 如图1 - 1 所示。轮盘是在车轮的辐板的两侧各设一个盘片，安装形式如图1 2 a 、 b 所示；轴盘是用螺栓将制动盘紧固在车轴上的制动盘，安装形式如图l 一2 c 、 d 所示。 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图卜l 轮盘和轴盘 一一 b 一一 c 图卜2 制动盘的安装形式 d 当高速列车速度在2 0 0k m h 左右时常采用通风结构的铸铁或铸钢制动盘； 速度为2 0 0 3 0 0 k m h 的高速列车一般采用锻钢盘，由于锻造工艺的限制而采用 实心的结构形式。在高速制动时锻钢制动盘受热膨胀，使盘体与盘毂之问产生 相对位移，必须允许制动盘自由伸缩。因此，采用“浮动”联接方式来改善盘 体应力状态，保证制动盘的自由膨胀及消除部分制动热应力。浮动”联接方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 如图1 - 3 所示 图l - 3 浮动式制动盘结构 卜螺栓；2 一盘彀；3 一盘体；4 _ 键；5 一压板；6 一弹性销；7 - 防松螺母；8 一防松垫片 1 2 2 对制动材料的要求 制动盘是盘形制动装置中最关键的部件，而制动盘和闸片的材质是盘型制 动中最关键的技术常用的制动盘材料有铸铁、铸钢和锻钢等，碳碳纤维、 铝合金基和陶瓷基复合材料也在研究和实验中。国内外高速列车盘式制动通常 采用的锻钢制动盘。目前，我国铁路正在生产和使用的制动盘材料还不能满足 3 0 0k m h 高速列车的用要求，现阶段国内高速列车制动盘主要依赖进口。对高 速列车摩擦制动材料的主要要求为：稳定的摩擦性能，良好的耐疲劳性能，较 高的耐磨损性能等对制动盘材料，要求其有很高的热容量以利于制动能储存， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 同时具有良好的导热性以降低温度梯度，减少热斑形成。制动摩擦材料优选的基 本准则如图1 - - 4 。 图l - 4 制动摩擦材料优选的基本准则嘲 随着高速列车速度的不断提高，要求制动盘既有高的制动能量，又要降低 制动盘的重量来减轻簧下重量。这对制动盘的热学性能和力学性能要求都很高。 本文研究的出发点是通过表面强化技术来改善制动盘表面的性能，在提高力学 性能的基础上改善热学性能。 1 2 3 主要制动盘材料 一蠕墨铸铁 日本、英国、美国的高速铁路均曾使用过蠕墨铸铁制动盘，我国戚墅堰机 车车辆工艺研究的钱坤才等人也研制出2 0 0 k m l h 高速列车特种蠕墨铸铁制动盘 m 】。由于在普通石墨中加入了n i 、c r 、m o 等合金元素使材料的抗热裂性和高温 耐磨性得到提高，而且加入变质剂将石墨形态由片装变成蠕虫状而得到较高的 强度。虽然蠕墨铸铁制动盘制造工艺成熟，成本低廉，而且可以采用通风结构， 但当高速列车速度进一步提高时，蠕墨铸铁耐磨性和抗热裂性不能满足要求。 二锻钢 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在日本新干线、法国t g v - - a 、德国i c e 高速列车上都得到采用，锻钢制动 盘和粉末冶金闸片配对的摩擦副是目前3 0 0 k m h 左右高速列车普遍采用的制动 形式。锻钢常温和高温机械性能好，韧性好，抗热裂性能高，耐磨性和耐热疲 劳性能也都很好但由于锻造工艺的限制，锻钢制动盘一般只能采用采用非通 风式结构。同时锻钢密度约为7 8 0 0 7 9 0 0k g m s ，要实现列车轻量化，必须减 小盘的数量，提高盘的制动能量。另外，制动时的尖叫声也需要克服。 三铝基复合材料 德国和日本对列车铝基复合材料制动盘进行了很多研究，其中德国自1 9 9 7 年2 月2 4 日以来一列完整的采用铝制动盘的i c e 列车在慕尼黑至柏林的线路上 运行。中国南车集团株洲电力机车有限公司与湖南大学材料科学与工程学院结 合国家8 6 3 项目，联合组成项目组，也进行了高速列车铝基复合材料制动盘及 其闸片的研制。通过向铝合金基体中加入s i c 等陶瓷强化颗粒制成铝基陶瓷强 化复合材料，既拥有了很好的耐磨性，又具有良好的热传导性和较低的密度抽。 删。但由于陶瓷颗粒的加入使得材料的塑性交差，裂纹扩展快，易引起突发事故。 同时，该材料使用温度相对较低；与有机材料闸片的匹配也需要进一步优化 要想大量投入使用必须解决以上问题。 四c c 复合材料 c c 复合材料由于重量轻，耐热性好而在航天飞机的耐热瓦和制动方面及 飞机和f 1 赛车上取得了应用。日本和法国都在研究将其作为轻量化材料移至到 高速列车制动上z m a g os t a d l c r 等人在文献【1 1 】中也研究了烧结金属( m m c ) 制 动片结合c c - s i c 制动盘的摩擦和磨损性能。在实现投入实际使用前，必须减 少磨损及减少低速时和低压紧力时摩擦系数的变化，还要考虑碳纤维的高成本 问题。 五其他材料 法国u 蝴m 实验室的h b a f l y s 等人在文献【1 2 】中重点研究了高能制动盘材 料，在钢盘上喷涂高温下热扩散率低，有很强而稳定的机械性能和摩擦性能的 摩擦材料。具体的研究有两方面：一方面是在缩小尺寸c 3 8 钢制动盘上喷涂 n i c r c r 3 c ：，配副a 1 2 t i o ；闸片；另一方面是研究钴基或者镍基高温合金涂层。 目前制动盘材料主要有两个研究方向：一是研究高制动能盘，提高单盘制 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 动能量而减少盘的数量，如c - c 复合材料、陶瓷材料、表面强化技术等。另一 个是研究轻量化制动盘，通过选用密度小的材料而降低制动盘的重量，目前国 内外主要研究的是铝基材料。主要制动盘材料的综合比较如表1 - - 2 。 表卜2 主要制动盘材料综合比较眦脚 剩动盘材辩蠕墨铸铁锻钢铝基复合材辩c c 复合材辩 最高速度( k e h )2 2 0 4 0 0 2 5 05 0 0 极限温度( ) 4 0 0 4 5 08 0 0 9 0 04 0 0 4 5 01 2 0 0 拉伸强度( 肝a ) 5 0 08 0 02 5 01 0 0 密度( k g r ) 7 2 0 07 8 0 0 7 9 0 0 2 8 0 0 1 7 0 0 导热系数( w 佃幻) 4 24 51 3 51 2 6 ( 5 1 9 ) ( 2 0 0 ) ， 线膨胀系数( x 1 0 - ) 1 2 51 21 8 4 3 ( 2 0 2 0 0 ) 主要翊题抗热裂性不够密度大。不利于塑性较低，裂纹扩成本高；氧化， 轻量化展快i 匍片磨耗对低温、湿度敏 丈；承受温度不高感 价格便宜一般较高 昂贵 1 2 4 高速列车制动盘研究现状 目前对于高速列车制动盘主要有三个方面的研究：制动盘材料的研究：制 动盘制动过程的数值模拟；制动盘制动性能的研究。随着列车不断提速，制动 初始速度增大，动能更是急剧增加，巨大的制动热负荷使制动盘局部产生很大 热应力并导致热裂纹。从国内外的经验来看，热疲劳是机车制动盘失效的主要 原因之一大部分制动盘在磨损量没有超过规定值之前，由于出现热裂纹而报 废。制动盘的抗热裂性能比耐磨性更为重要。因此，研究制动过程中制动盘中 应力和温度的交化对于制动盘失效机理的研究和新型制动盘的设计都有重要的 意义。 制动是一个复杂的过程，是涉及摩擦学、热力学、动力学及材料学等各个 方面因素交互作用的过程。国内外针对制动盘的研究，问题集中在对盘的断裂 分析或者失效分析、裂纹分析，进而着重分析制动过程中盘上出现的热斑的热 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 疲劳损伤状况，所采用的研究方法一般为数值模拟结合台架实验。 法国的p d u 丘6 加y 和d w e i c h e r t 在文献 1 4 中采用二维的碰撞一接触 ( i m p a c t - - c o n t a c t ) 分析结合热机解析的数值方法，计算盘和片间接触面的演变。 计算了温度的分布和变化，并和实验测量结果比较。认为材料性能参数对数值 模拟结果的影响中，闸片杨氏模量和热膨胀系数最重要杨氏模量越大，达到 最高温度就越快；接触的变化对热膨胀系数特别敏感，若热膨胀系数增加，接 触变化就变快同时指出虽然很难估算这些性能随温度的变化，但是仍有必要 考虑；要提高分析的准确度，必须得到更精确的磨损方程，考虑盘和片材料的 冶金相变和非弹性性能，更好的理解边界条件。而热图实验部分则得出径向温 度差值大于环向的结论。他们在文献 1 5 中将文献 1 4 的研究向前推进了一步， 通过数值模拟和实验两方面研究了t g v 制动盘，并将两种结果进行对比。建立 了熟机模型模拟从3 0 0 k h 到o k m h 的制动过程，历时2 1 3 s ，制动盘每侧法向 力为2 8 0 0 n ，每个盘的制动功为1 3 9 m ，。采用热分析和力分析不耦合的有限元 分析方法，在7 2s 后温度达到最大值。采用材料随温度变化的多面线性随动硬 化性能模型来描述制动盘的热一机性能，得出盘周向的应力值和塑性流变高于 径向，并认为热机因素几乎要比因摩擦而产生的力学因素的振幅大1 0 0 倍采 用红外线照相机，在t g v 盘式制动的全规模实验台上进行实验研究，得出盘上 的热梯度分布，认为热斑的尺寸和分布取决于片的形状，以及冈度和材料的热 物性。采用钻孔应力释放法测出盘的残余应力，测得与数值计算同阶的残余拉 应力，径向的应力小于环向。p d u f r 6 n o y 和d w e i c h e r t 还在文献【1 6 】中基于热图 学研究了制动盘上热斑形成的影响因素。e d u f r d n o y 在文献【1 7 】中提出考虑实际 盘，片结合的3 d 几何模型的制动盘热机性能的宏观模型。详细介绍了制动盘材 料的实体几何模型和热弹塑性模型，预测了元件随温度变化的热梯度和热机反 应。 在文献 1 8 1 q ，r e la b d i 和h s a m r o u t 在内部热动力变量的基础上建立制动 盘的不等温模型，考虑了塑性应变记忆效应、非线性随动硬化和各向同性硬化。 材料为2 8 c r m o v 5 8 钢，其参数以实验为基础，测得不同温度下的值；有限元 程序为c a s t e m2 0 0 0 ，应用此模型计算了初速度为3 2 0 1 0 n h 的制动盘的紧急制动。 日本的s a k a m o t o ，h a r u o 等人在文献【1 9 】中采用锻钢制动盘取代以前新干线 的铸铁制动盘，进行了断裂分析、选材以及对新研发的制动盘的评佶。认为随 着列车提速，制动表面出现热裂纹，强烈需要提高材料的抗热裂纹性能。锻钢 成为新的制动盘材料，然而在耐久性试验中锻钢盘出现破裂，需要提高材料的 断裂韧性来承受残余应力。在备选材料中，选用了改良的a i s l 4 3 3 0 进行实验室 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 试验和现场试验，证明适合速度大于2 7 0 k m m 的高速列车。 国内对制动盘和闸片的研究主要集中在对材料的实验研究和制动盘的温度 和应力的有限元数值模拟两方面，后者一般都结合l ：l 制动台实验进行研究。 钱坤才等研究了2 5 0 k m h 高速客车锻钢制动盘和粉末冶金闸片，对锻钢制动盘 和粉末冶金闸片的结构、材质理化性能及l ：1 摩擦制动性能进行了实验研究和 分析，认为从摩擦副角度来考虑，锻钢制动盘和粉末冶金闸片配对的摩擦副最 为合理，这对摩擦副的摩擦制动性能主要取决于闸片的材质性能；制动盘材质 是盘形制动中最关键的技术，制动盘的耐热裂性能比耐磨性更为重要嘲。侯笑 冰等通过对目前我国自行研制的“中华之星”和“先锋号”高速电动车组制动 系统型式试验方面的各种试验数据的分析，指出制动盘和闸片的材质是盘型制 动中最关键的技术，要求制动盘体的材质必须具有好的抗热裂性、耐磨性、导 熟性和摩擦制动性能。闸片应具有足够高而且稳定的摩擦系数，较好的高温性能 和抗热衰退性，好的耐磨性并且对制动盘面无任何异常磨损 赵海燕等对1 6 0k m h 快速列车制动盘温度场进行了数值计算，重点讨论了 制动加载方式、制动工况和环境温度对制动盘瞬态温度场的影响。将闸片与制 动盘的摩擦生热等效为瞬时移动面热源，建立了循环对称制动盘有限元分析模 型，进而采用m s c m a r c 有限元软件分析了制动盘瞬时温度场的三维分布特征及 制动盘工作面的热循环历程。赵文清利用非线性有限元分析软件m s c p a t r a n 和m s c m a r c 研究了2 7 0 k m h 高速列车。中华之星”制动盘温度场及热应力，揭 示了影响制动盘温度场及其应力场的主要因素，并提出减小制动缸压力的措施 可明显减小制动盘的温度与热应力”。李继山等也对2 7 0 k m h 高速列车“中华 之星”紧急制动时制动盘温度场分布进行仿真，在仿真中把热辐射系数折算成 对流换热系数的方法，建立锻钢制动盘三维循环对称有限元模型、热输入数学模 型及对流散热数学模型，并采用平均轴制动功率法计算。指出在制动摩擦表面 温升计算的热模型中，确定接触表面摩擦热流边界条件是建立和求解热问题的 关键伽。陈德玲等通过对几种不同制动盘材料在相同结构、相同制动过程条件 下的热应力分析，研究了材料对制动盘热应力热特性的影响，进行优选材料和 设计嘲。 1 3 本文主要研究内容 通过对国内外制动盘研究现状的分析，可以看出国内对3 0 0 k m h 以上高速 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 列车制动过程的数值模拟还较少，而且针对制动过程中的数值模拟大都采用热 机不耦合的方法。但实际制动过程中，温度和应力是耦合的相互影响的，由于 循环摩擦使得制动盘局部温度很高，产生的热应力如果超过了制动材料的屈服 极限，将产生塑性变形，进而产生裂纹。由此，对高速列车制动过程中温度和 应力变化的准确模拟对分析热裂纹产生的原因、预防热裂纹的产生、选择和设 计制动盘材料等都有重要的参考意义。结合国内高速列车制动盘发展的这些实 际问题确定本文研究内容为： 1 建立热机耦合的有限元模型，分析2 0 0 k m h 制动盘在一次紧急制动全过 程中温度和应力，并结合台架试验进行分析。 2 在2 0 0 k m h 模型基础上建立3 0 0 k m h 纯锻钢制动盘紧急制动模型，模拟 制动过程的温度和应力 3 建立3 0 0 k m h 复合制动盘模型，模拟制动过程的温度和应力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章理论及总体设计方案 2 1m s c m a r c 中的重要方法的实现 2 1 1 接触和摩擦 从有限元分析角度看，接触是边界条件高度非线性的复杂问题，需要准确 追踪接触前多个物体的运动以及接触发生后这些物体之间的相互作用，同时包 括正确模拟接触面之间的摩擦行为和可能存在的接触间隙传热数学上施加无 穿透接触约束的方法有拉格朗日乘子法，罚函数法以及直接约束法。m s c m a r c 软件提供的接触算法有：间歇单元，非线性弹簧，接触迭代算法。 闻歇单元是基于拉格朗日乘子法或罚函数法的接触界面g a p 单元；非线性 弹簧基于罚函数法，通过用户子程序u s p l u n g 施加；接触迭代算法基于直接 约束法，不需要增加特殊的界面单元，是解决所有接触问题的通用方法，特别 是有些大面积接触以及事先无法预知接触发生区域的接触问题。m s c m a r c 通过 a ) n 1 冷c r 选项激活接触迭代算法，其基本流程如图2 1 所示。 摩擦是一种复杂物理现象，而且其机理仍是研究中的课题。m a r e 采用3 种 简化的理想模型来模拟摩擦：滑动库仑摩擦模型，剪切摩擦，粘一滑摩擦模型。 本文采用通用的滑动库仑摩擦模型，其模型为 仃，s 一# at 式中：仃一摩擦应力； 盯接触点法向应力； 摩擦系数； t 相对滑动速度方向上的切向单位矢量。 ( 2 一1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 1m a f c 接触算法流程嗍 m a r c 实际采用的是修正的库仑摩擦模型，其公式为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 a a 墨一p q 时t 式中：盯 仃。、肛、t 同式( 2 - - 1 ) ； w 相对滑动速度； 7 0 一发生滑动时接触体之间的临界相对速度。 摩擦生热基于以下公式： q 一 ， 式中，m 。动热换算系数； 厶一摩擦力； 也相对滑动速度 ( 2 2 ) m a r c 在考虑摩擦生热的热机耦合分析中，程序自动计算基于节点应力的摩 擦力功所转换的热，并把摩擦产生的热流分别平均分配到产生接触的两个物体 表面上，当作表面热流分别加热各个接触体倒 2 1 2 热一机耦合 温度对结构应力和变形的影响不仅仅在于产生熟应变和热应力。材料的机 械性能如弹性模量、泊松比、屈服应力、热膨胀系数等往往随温度变化，也会 影响到结构应力分析结果。这种热应力分析称为热弹性、热弹塑性或蠕交分析 实际上这里的热应力分析包含了这样的假设：温度影响变形，而变形不再影响 温度的无耦合情形。本文将分析变形也影响温度的耦合分析。 在高速列车制动过程中，高速列车的动能有相当部分通过闸片与制动盘的 摩擦转化为热能使工件温度升高，引起应力的变化。准确分析此过程的温度和 应力的变化就不应把温度场的求解和应力场的求解分解开。温度变化影响结构 的变形和材料的性质之外，结构的变形也反过来改变边界条件，进而影响温度 的变化，即温度和位移两种不同的场变量之间存在很强的相互作用。一般来讲， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 变形对温度的反作用表现在以下两个方面： 1 经历大变形后物体几何形状发生变化，单元体积或边界面积也随之改变。 施加在这些有限元上的热边界条件也因此变化例如制动过程中盘和闸片相互 接触，在接触面之间可以传热，但随着盘的转动，片又和盘新的区域接触，交 换热量的区域发生变化，这是十分典型的变形改变热边界条件的情形。 2 非弹性功耗散转换成热。比如绝大部分的塑性变形功率都会转换成体积 热流，几乎全部摩擦力的功率也不可逆地转化成表面热流在制动过程中必须 考虑这种非弹性功转换成热的情形。 对于上述温度与位移存在强耦合作用的问题，若用先算温度、后分析热应 力的分解算法会产生较大误差。比较精确的分析是按照热一机耦合场的求解方 法，同时处理热传导和力平衡两类不同场方程。 耳前，m a r c 软件用于热一机耦合分析的主要算法有总体拉格朗日方法、更 新的拉格朗日方法或欧拉方法描述热弹塑性。下面的讨论为更新的拉格朗日描 述方法，给出了与温度场耦合的大变形热弹塑性分析的增量有限元表示。 对体积为v ，边界为s 的连续介质，可写出能量守恒方程： 。 ，j 一 f p v l 詈d v + r 半一r 0 形一日垮( 2 3 ) _ p ( q + b i v i ) d v + 7 节 “ ，o ， 告 其中：v t 是速度场；坚是给定内能：q 是给定体积热流；岛是给定体积力； 号是单位面积上的边界力；h 是边界s 上的单位面积的热流强度 对体积为v ，质量密度为p 的连续介质，可建立积分形式的力平衡方程： p 一矿- ，筇 c z 训 引入柯西应力分量嘞压力可用柯西应力表示为： 弓一， ( 2 - 5 ) 吗表示表面s 的单位法线方向将力平衡方程引入能量守恒方程( 2 3 ) ，可 得热机耦合的能量守恒方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 水一警) + 暗卜y 。严 c z e ， 依据虚功原理，可建立结构位移所需满足的下式： l o * 挚。毫曲舯一l p 警u ( 2 7 ) 假设忽略惯性项的影响，则( 2 - 7 ) 式右端第二项可去掉。并且假设物体v 的能量方程和力平衡方程都是建立在当前的构型上因此，可用弱耦合的增量 非线性有限元法处理热机耦合问题。 采用更新的l a g r a n g e 技术处理弱耦合的热一机耦合方程求解的作法是，在 每个增量步开始时，由当前位移增量修正域v 和边界s 。并且在增量步内交替迭 代力平衡方程和能量守恒方程。 分析中，对热弹塑性描述采用m i s s e s 屈服准则： 1 1 ，一一 f - i j t 白一言仃( ，r ) - 0 ( 2 8 ) 其中s u 是应力偏量，孑、- ，分别为等效应力和等效塑性应变。后继塑性应 变流动时应满足d f - 0 ，可推出： 盖盟2-了aoorat 3一三3 盯塑o t 詈- 。 c z 一。) 一o 一一- = 一一盯u 一， 8 吼a e f m 将总的增量应变分解成弹性、塑性和热应变： 堕盟+ 盟堕+ 盟( 2 1 0 ) a t a t甜a t a t 其中，各向同性材料的弹性应交满足： 一 - 仃) ( 2 1 1 ) 进一步可得应力变化率： 等- 等+ 掣 协 注意到上式右端第二项是温度变化率的函数，在耦合分析中，温度增量是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 未知的，但通过交替迭代技术可以获得温度近似值。对大变形热弹塑性问题， ( 2 1 2 ) 式可写成率形式： m 仇+ h o t ( 2 1 3 ) 其中为焦曼应力率，d 是变形率 ， 户( 西一警) 形。严( 2 - 1 4 ) 定义表面外法向为 的表面热流吼啊- h ，可进一步得： 巾一警) 一蔷- o 协 假设材料遵守f o u r i e r 热传导法则： 吼- 谁杀 2 - 1 6 ) 并忽略弹性应变能影响，将内能用温度的函数表示为： d u 。d c t ( 2 1 7 ) d td t 其中c 是材料比热。用加权余量的g a l ek i n 法可得( 2 一1 4 ) 方程的等效弱形 式： 卢p 函矿一g h d s 一户p 丝d t 乙n l l r - 啦甄，疆a r ，d 矿( 2 - 1 8 ) 一d c t c 塑+ 以卫 ( 2 1 9 ) d t 8 t 谜 其中g 是g a l e r k i n 权函数。方程( 2 - 1 9 ) 的右端第二项代表了质量迁移的对 流传热贡献。用更新的拉格朗曰方法，将参考坐标系建立在当前构型上，保证 每个单元的质量守恒。就可消去第二项。也就是说站在当前坐标系中无法体验 到质量迁移的对流作用。但是，若用欧拉法求解，就必须包含此项。 温度场求解时，对塑性耗散功转化成的热量以焓的形式表示： f 堕。，一a w e ( 2 2 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 其中a w e 是塑性功率，是塑性功中转化成热流的那部分比例函数。对金 甜 属来说，常取0 9 。进一步将塑性功生成的热流写成给定的体积热流。 q m f 娶 c 2 2 1 ) 讲 其中m 是功与热的转换系数 当发生接触并且不忽略摩擦力的影响时，采用下式建立描述摩擦力功转化 成表面热流的关系： q 十- m r 匕 c 2 2 2 ) 其中户为接触表面摩擦力，匕为表面相对滑动速度，肘为功热转换系数 在处理摩擦生热时，应用软件将两个接触表面相互作用生成的摩擦热流平均分 配到这两个表面作为表面热流强度 采用交替迭代方法求解更新拉格朗日描述的热机耦合方程的主要思路如 下：在每个增量步开始对将几何形状更新，在新的拉格朗日坐标下分析温度场方 程。采用非线性方程迭代解法求解热传导方程的等效温度场递推关系式收敛 后，在同一增量步中，更新温度值，评价材料力学性能和热应变，迭代求解力 平衡方程，收敛后，进行下一增量步的分析直到所需的增量步结束。该迭代过 程的流程图如图2 - 2 所示。本论文中制动盘和闸片的温度与位移存在强耦合作 用，按照热一机耦合的求解方法，同时处理来获得较精确的分析计算结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图2 - 2 热一机耦合求解技术流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 2 新型制动盘研制的思路及本文的主要工作 从1 2 4 节的分析可以看出，有限元数值计算己相当成熟而且是现代制造设 计的重要手段，可以节省研发成本，并为研发以及优化设计等提供重要参考数 据。确定本文总体设计思路及主要工作如下； 图2 3 总体设计思路 本论文主要工作是对高速列车制动盘进行热一机耦合数值模拟结合台架试 验，探讨制动盘失效机理，提出高速列车制动盘材料逆向设计方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章2 0 0 k m h 列车制动盘制动过程数值模拟 3 1 基本模型的建立 3 i 1 假设 制动过程是一个非常复杂的多种物理场耦合作用的过程，本文采用有限元 方法分析制动盘在一次制动过程中温度和应力变化情况，主要有以下假设： 1 闸片和盘接触为面与面接触，不考虑它们表面的粗糙度，且忽略在一次 制动过程中接触面的磨损； 2 制动过程为匀减速过程； 3 制动过程中盘和闸片散热以对流散热为主，盘与轴之间通过接触传热： 4 盘和闸片之间摩擦系数恒定不变，且摩擦产生的热量分配由软件 m s c m a r c 自动实施； 5 压力均匀施加在闸片背部： 6 制动初始温度为室温，不考虑气候等因素； 7 材料弹性变形 3 1 2 计算模型 考虑到本文所研究的制动盘的对称性，建模取整个盘的 2 由于盘和闸 片的其它构件对结果( 温度和应力) 影响很小，所以建模时进行适当简化。将 螺栓、盘毅、键、压板、弹性销、防松螺母、防松垫片等制动盘构件简化为刚 体圆环，将盘体简化为实体圆环( 如图3 - i 所示) ；结合国际铁路联盟( u i c ) 标准闸片和国内闸片的几何形状魄”，将闸片简化为圆柱，不考虑闸片的钢背( 或 制动衬) ，如图3 2 。本有限元模型中盘和闸片采用8 节点六面体减积分3 d 熟 一机实体单元，轴采用8 节点六面体减积分3 d 传热单元 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图3 _ l 制动盘实物与1 2 有限元模型 图p 2 闸片实物与有限元模型 模型的具体几何尺寸如表3 - 1 。 表3 - 1 模型几何尺寸 拖车盘动车盘 内径 2 4 82 2 5 半径 外径 3 2 03 7 5 摩擦半径 2 8 43 1 5 厚度 4 0 车轮半径 4 5 7 55 2 5 闸片烧结半径 i o2 0 圆柱厚度 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 。1 3 计算参数 1 材料性能参数 考虑材料的弹性模量、热膨胀系数、比热、熟导率等随温度的交化，而认 为材料的密度是恒定的。表3 2 给出各种不同制动材料常温下的性能参数。制 动初始速度为2 0 0 k m h 的制动盘数值模拟所采用的制动盘材料为2 5 c r 2 m o v a ，闸 片为铜基粉末冶金闸片 表3 - 2 材料的性能参数 2 8 q m o v 5鲳。剐2 5 c r 2 m o v a n j q o ，岛