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高铁制动盘应力分析及其损伤机理研究
| 论文题名： | 高铁制动盘应力分析及其损伤机理研究 |
| 关键词： | 高速列车;制动盘;应力场;疲劳损伤;有限元仿真 |
| 摘要： | 近年来，高速列车的运行速度大幅提升，与以往相比较，各个部件承受更加复杂载荷作用。制动盘作为制动系统的重要部件，在运行中如发生损伤，将严重危害列车的安全。因此，若能提前判断制动盘损伤情况，并对其损伤的规律加以探究，对保障列车安全运行具有重要意义。本文基于传热学理论、摩擦学原理和瞬态动力学，采用有限元仿真技术，对列车制动盘的应力场进行分析研究。通过力学分析和检测试验相结合的方法，揭示制动盘损伤机理。具体研究工作如下: 首先，对制动盘分为高速运行和制动两种状态进行力学分析。制动状态时，借助摩擦学原理和热力学相关理论，建立了摩擦生热的边界条件和热应力平衡方程;运行状态时，结合有限元方法对制动盘的力学模型进行简化，确定制动盘瞬态动力学仿真的边界条件和加载方式。 其次，对摩擦制动过程的制动盘进行热-结构耦合分析。根据制动盘的结构特点，建立了制动盘的三维实体模型和有限元模型，对常用制动时的制动盘温度场进行数值模拟。利用顺序耦合法对制动盘做热-结构耦合分析，得到摩擦制动过程制动盘热应力的分布和应力状态。结果表明，制动盘的齿部为应力最大且为拉应力状态。 再次，对高速运行时的制动盘做动力学分析。建立制动盘毂和轮轴的装配体的有限元模型，结合瞬态动力学分别对单独旋转惯性力和复合惯性力两种载荷条件下的制动盘进行应力场分析。结果表明，随机变化的垂向惯性载荷是制动盘出现随机损伤的原因，且表现为动拉应力位于制动盘齿部;对比了不同运行速度列车制动盘动应力状态，给出不同速度级的列车制动盘疲劳损伤的校核值。 最后，结合S-N曲线、剩余强度模型及声发射检测试验对制动盘的疲劳损伤机理进行验证。考虑列车行驶速度和里程数对损伤的影响，研究制动盘的疲劳损伤规律，揭示制动盘疲劳损伤产生机理;设计了AE声发射的疲劳损伤检测试验，根据有限元仿真分析，确定激励加载方案;根据凯塞尔效应，完成AE参数的提取分析。试验数据分析表明，高速运行时的动应力会导致制动盘强度不断降低，而制动盘发生损伤是热应力作用的结果。 |
| 作者： | 耿凯 |
| 专业： | 机械电子工程 |
| 导师： | 万里冰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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