基于生物止裂功能的轨道车辆制动盘仿生耦合抗疲劳设计与制备

制动盘是当前我国轨道车辆主要零部件实现国产化和自主创新的重点。热机疲劳问题是制约制动盘寿命提高、可靠运行和成本降低的重要科学问题。目前国内外针对制动盘热机疲劳问题的研究大多依赖于制动盘材料的改进与优化。本项目结合基础理论与工程实际，深入探索制动盘热机疲劳失效的规律与机制。基于天然生物止裂功能原理，综合考虑制动盘表面形态、结构与材料因素并使其协同作用，进行制动盘表面抗疲劳仿生耦合设计与制备。进而评价制动盘仿生耦合表面的力学性能和抗疲劳性能，探讨热机疲劳裂纹在仿生耦合表面萌生与扩展的影响机制和规律，进行仿生耦合表面设计参数与制备参数的优化，从而获得一种表面具有止裂效果的制动盘仿生设计与制备技术，为进一步实现新型仿生制动盘开发奠定理论与实验基础。该技术创新性强，节能环保，效果显著，不仅具有较大的理论意义，还具有较大的工程和社会意义。

制动盘是当前我国轨道车辆主要零部件实现国产化和自主创新的重点。热机疲劳问题是制约制动盘寿命提高、可靠运行和成本降低的重要科学问题。目前国内外针对制动盘热机疲劳问题的研究大多依赖于制动盘材料的改进与优化。本项目突破传统理念，提出用制动盘表面形态、物理结构及化学组成等因素相互耦合的方法来解决制约轨道车辆制动盘寿命和可靠运行的热机疲劳问题，探索轨道车辆制动盘仿生耦合设计与制备技术，取得了如下创新成果：. （1）深入调研，揭示了轨道车辆制动盘表面热机疲劳失效的规律与机制。. （2）通过对典型生物体植物叶片、蜻蜓翅膀的微观结构与力学性能分析，揭示了生物体微结构与力学特性之间的因果关系及其与抗疲劳性能的内在联系。. （3）基于天然生物止裂功能原理，综合考虑制动盘表面形态、材料及结构因素并相互耦合，并结合制动盘表面疲劳失效的特征规律，设计了8种单元体呈不同形状和分布特征的仿生耦合制动盘表面。. （4）基于典型制动盘材料如铸铁、合金锻钢等，采用激光、熔覆、机械、烧结及其协同方法，提出了表面嵌入式雕刻或钻孔同异质材料堆焊合成制备，表面嵌入式雕刻或钻孔同异质材料高温浇铸自蔓延合成制备，表面嵌入式雕刻或钻孔同异质材料镶铸合成制备，表面嵌入式雕刻或钻孔同激光快速成型制备等大尺度仿生耦合体系列制备技术；为进一步优化仿生表面材料耦元的组织、尺度和性能，获得更高品质耐磨和抗疲劳表面，开发了液体介质下激光制造的纳米晶化激冷激光制备技术；同时尝试了利用自蔓延高温烧结方法，将含有TiC、TiB2、Cu及奥氏体相的陶瓷耦合体烧结镶嵌入制动盘的烧结制备技术。. （5）利用有限元方法，模拟分析了仿生制动盘在紧急制动工况下的温度场和应力场，为其优化设计和试验研究提供了重要参考依据。. （6）全面考察了仿生耦合制动盘试样的力学性能和抗疲劳性能，揭示了制动盘仿生耦合表面的抗疲劳机制并进行了耦合参数与制备参数优化，从而获得了多种表面具有仿生耦合止裂效果的轨道车辆制动盘设计与制造技术。. 部分依托本项目研究，获得国家技术发明二等奖1项（2013年度），吉林省技术发明一等奖1项（2012年度）（负责人均为第三获奖人）；执行期内共发表学术论文10篇（均已标注），其中SCI收录8篇，EI收录2篇；申报国家发明专利4件；培养研究生5人；参加国际会议8人次，全面完成了项目的预期研究工作。