基于摩擦-热-机耦合分析的鼓式制动器热疲劳特性研究

Drum brake is an important safety component of vehicle. Strongly coupled tribological, thermal and mechanical aspects take place in the sliding contact during the brake process. Brake drum subjected alternating thermal and mechanical loads is prone to fail due to thermal fatigue, which is a serious threat to traffic safety. The objective of this project is to investigate the thermal fatigue of drum brake based on the analysis of tribological, thermal and mechanical coupling behaviors. The effects of temperature on mechanical, thermodynamical, tribological properties of friction pad and brake drum will be examined, and the effects of wear on friction heat and contact stresses will also be studied by experimental study, theoretical modeling, or numerical simulation. Then the algorithm to simulate the tribological, thermal and mechanical coupling will be developed and the history of stresses, temperature, and wear will be calculated. At last, the fatigue life prediction model will be developed to predict the life of brake drum. And the parameter study will be carried out to provide suggestions for design of drum brake. This project is a pioneering and interdisciplinary research relating to solid mechanics, computational mechanics, thermodynamics and tribology, which is difficult and recondite. The research findings of this project can be used to optimize the structure of drum brake and improve its fatigue life. Therefore, this project is very important for theory research and engineering application.

鼓式制动器是重要的汽车安全部件，在制动时摩擦片与制动鼓之间的滑动接触会产生强烈的摩擦-热-机耦合现象。制动鼓在交变热载荷和机械载荷作用下很容易发生热疲劳失效，这对行车安全构成了极大的威胁。本项目的目标是探索研究基于摩擦-热-机耦合分析的鼓式制动器的热疲劳特性。通过试验研究、理论建模和数值模拟相结合，研究前人未曾考虑的温度对摩擦片与制动鼓材料的力学性能、热力学性能、摩擦性能的影响，以及磨损对接触应力和摩擦热的影响；开发摩擦-热-机耦合行为的模拟算法，得到鼓式制动器在典型制动工况下的较为真实的应力场、温度场和磨损量历程；并建立制动鼓的热疲劳寿命预测模型，研究制动鼓的热疲劳寿命和影响参数，为鼓式制动器的优化设计提供理论依据。本项目属固体力学、计算力学、热力学和摩擦学交叉前沿课题，具有理论深度和难度；其研究成果又可用于鼓式制动器的结构优化、提高其热疲劳寿命；因而具有重要的理论意义和工程应用价值。

鼓式制动器制动过程中存在着强烈的摩擦学-传热学-力学耦合行为，容易出现性能衰退和制动鼓开裂等失效现象。鼓式制动器的热疲劳失效，不仅影响企业经济效益，更严重威胁行车安全。.本研究按照以下顺序开展：首先，设计了基于有限元技术的热-应力-磨损耦合的数值模拟方法，开发了热流载荷、散热边界条件和材料移除计算的子程序，实现了伴随磨损的干式滑动摩擦的仿真过程。应用该方法建立了鼓式制动器模型，完成了鼓式制动器磨合、紧急制动、15次连续制动工况的仿真，得到了温度场、应力场和磨损量的分布状态和时间历程，揭示了各物理量的演变特点及相互作用关系。.第二，借助无线数采设备和耐高温传感器，完成了鼓式制动器工作过程中的动态应力和温度台架测试，验证了数值计算的结果，并进一步提取了制动鼓的载荷特征，得到了载荷曲线存在着强烈的周期性波动、分布特点与接触状态密切相关和温度变化影响平均值的结论。.第三，基于载荷曲线和材料的疲劳实验结果，依机理不同分别采用了应力-寿命、应变-寿命模型，对制动鼓的关键位置寿命进行了预测，确定了最薄弱位置，预测结果与台架疲劳实验结果吻合良好。.最后，基于接触显著影响载荷波动的结论，提出的摩擦片轮廓优化模型。将其应用于理论平面制动器和三维制动器，实现了接触压力最大值和变异系数的显著下降，为提高制动器热疲劳寿命指导了方向。.本项目结合了固体力学、计算力学、热力学、摩擦学和疲劳分析等前沿研究，具有重要的学术研究价值；立足于快速发展的汽车工业和物流产业，存在广泛的应用场景。目前研究成果已用以指导车桥企业的优化设计，节省了大量实验费用，初步实现了经济效益。.目前累计发表相关论文7篇（SCI/EI收录7篇），授权发明专利2项，另有关于疲劳计算和优化设计的论文正在撰写中，今后将补充到研究成果内。