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高速列车SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳评价方法研究
| 论文题名： | 高速列车SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳评价方法研究 |
| 关键词： | 高速列车;复合材料;制动盘;热疲劳裂纹;形成寿命;扩展寿命;有限元模拟 |
| 摘要： | 盘型制动作为最有效的安全制动方式，已普遍被采用在提速和高速客车上。避免制动强摩擦与高热负荷所造成的制动盘早期热疲劳失效并预防崩盘恶性事故发生是制动盘选材和结构设计中需要考虑的重要环节。目前，国内高速列车上服役的制动盘均为铸铁或锻钢材料，由于制动盘属簧下质量，制动盘质量过大会增加能耗，并对转向架的动力学性能有不利影响，因此，研究开发适合于高速列车服役工况的具有重量轻、耐磨损和耐热性能好的制动盘，具有非常重大的实际意义。 论文根据上述背景，以国家863计划资助项目“高速客车用金属基复合材料制动件的研究与应用”（2003AA331190）为支撑，对新开发的用于高速列车制动盘的SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料的热循环特性、断裂机制、热疲劳性能进行了试验研究，采用有限元仿真技术与材料热疲劳试验相结合的方法，对制动盘热疲劳裂纹形成和扩展规律进行了深入的研究。主要内容包括： 1．研究SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料常温和高温的单调和循环拉伸特性、热物理性能以及各性能参数与温度的相关性，从而建立了SiCp/A356复合材料的热弹塑性本构关系。 2．基于制动盘的循环对称结构特点，将泛函与热传导微分方程相结合，建立了制动盘三维瞬态温度场的数学模型，采用顺序耦合的数值计算方法，模拟了制动盘在不同制动工况下的循环应力应变响应规律，提出了热残余应力的形成机制以及制动盘盘面热残余拉应力在裂纹形成与扩展过程中的重要作用。 3．通过SiCp/A356切口试样在20℃～300℃循环变温下的自约束热疲劳试验，确定了裂纹扩展速率与热循环次数的关系（a～da/dN），探讨了试样切口半径R和试样厚度对裂纹形成和扩展的影响。采用有限元仿真技术，建立了颗粒增强金属基复合材料细观体元的热弹塑性本构模型，重点针对热循环作用下体元的细观应力应变响应进行描述，提出了颗粒增强金属基复合材料界面开裂的细观机理。 4．根据SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料热疲劳试验获得的参数，建立与试验工况一致的有限元仿真模型，以裂纹长度与热循环次数及试样尺寸的关系为准则，提出了定量分析复合材料热应变寿命（△εT/2～2Nf）和热疲劳裂纹扩展速率曲线（da/dN～△K）的有限元方法。 5．采用热弹塑性有限元法，确定了制动盘表面缺口的循环应力-应变响应特性和裂纹应力强度因子，提出了高速列车SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳裂纹形成与扩展规律的评价方法。 |
| 作者： | 杨月 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 谢基龙 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2008 |
| 正文语种： | 中文 |
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