盘式制动器热-应力-磨损耦合行为的建模与数值模拟

汽车工业的快速发展对制动器的性能提出了更高的要求。盘式制动器在制动过程中产生强烈的热-应力-磨损耦合现象。对该耦合问题的预测是困扰汽车界的难题。本课题探索盘式制动器热-应力-磨损耦合行为的建模和数值模拟方法。首先通过摩擦片材料在不同温度下的拉压试验、硬度试验和制动磨损试验，建立摩擦片的材料模型和热-力耦合条件下的磨损模型；然后利用商用有限元分析软件进行二次开发，通过嵌入用户自定义材料模型和自定义场变量子程序实现摩擦片力学性能随温度的变化，并采用后处理方式开发基于磨损模型的磨损模拟方法，从而实现制动器热-应力-磨损耦合行为的数值模拟。最后，利用开发的数值方法进行制动器的参数研究和基于响应面法的优化设计。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；其研究成果在工程上又可用于制动器的结构优化设计、提高制动性能，因而具有重要研究价值。

制动器是车辆重要的安全部件。制动器制动过程伴随着强烈的温度场、应力场和磨损的耦合现象。准确模拟和预测这一耦合现象对于制动器的设计、制动系统的控制、制动策略的选择和制动零部件的优化都至关重要。目前，尚无文献论述制动器热-应力-磨损耦合过程的求解方法，无论是理论还是技术层面都存在需要突破的问题。.首先，磨损仿真的关键在于磨损模型的建立。本项目采用销-盘磨损实验，研究了温度和载荷对摩擦片材料磨损率和摩擦系数的影响。磨损实验温度范围25-175oC，载荷范围50-500N (0.35-3.5MPa)。实验结果表明，温度对磨损率的影响曲线类似于抛物线，摩擦系数随着温度升高而增加，载荷对磨损率的作用呈现线性趋势，摩擦系数与载荷之间不存在明显关系。对实验结果的二次回归建立了摩擦片材料的磨损模型。.然后，本项目研究了基于有限元技术的热-应力-磨损耦合问题的数值模拟方法。结合不同摩擦磨损工况的特点，热-应力-磨损耦合行为的完全耦合分析方法、顺序耦合分析方法以及分段顺序耦合分析方法。将应力-磨损耦合数值模拟方法和热-应力-磨损顺序耦合分析方法应用于销-盘磨损实验的仿真，揭示了温度场、应力场和磨损量的演变过程，并且和实验结果吻合良好。.最后，本项目进行了盘式制动器的磨损模拟研究，并通过鼓式制动器台架实验获取了典型制动工况的温度曲线和磨损量，然后利用热-应力-磨损耦合数值模拟方法分别模拟了磨合实验、单次制动实验、15次连续制动实验过程中的多场耦合现象。数值模拟得到的制动鼓和摩擦片温度曲线和实验数据相互一致，平均磨损量和磨损实验的结果误差不到5%。仿真结果表明了磨损对制动鼓接触状况的影响，展现了制动和冷却过程中温度场、应力场和磨损量的演变特点以及它们之间的相互作用。.通过本项目的研究工作，提出了热-应力-磨损耦合分析的数值方法，实现了干滑动摩擦过程的热-应力-磨损耦合行为的数值模拟，填补了国内外空白。该方法不仅限于制动器，还可以应用于其他涉及干滑动接触和磨损的机械产品。.目前共申请发明专利3项，累积发表相关论文6篇（已刊出4篇，Ei/SCI收录3篇，另有1篇在印， 1篇已录用）。另有一篇关于顺序耦合模拟方法的英文论文在写作中，将在今后补充到研究成果中。