高温对汽车灰铸铁制动盘热疲劳裂纹萌生寿命的影响

汽车制动盘的工作温度高、易产生热疲劳,其性能直接影响行车安全,对高温下制动盘的热疲劳裂纹萌生寿命的研究十分必要。首先研究取自汽车制动盘上的灰铸铁HT200试样在500℃下单调拉伸与压缩的性能,对应力—应变曲线进行分析,得到其力学性能参数;接着基于这些参数,对初始温度为400℃时的制动盘在单次紧急制动工况下进行热-结构耦合仿真分析,得到制动盘的温度场和应力场分布;最后利用应变疲劳的方法根据Miner线性累积损伤理论研究500℃下灰铸铁HT200的塑性特性对制动盘热疲劳裂纹萌生寿命的影响。研究结果表明:制动过程中的热应力远大于机械应力,是产生疲劳裂纹的主要原因;高温下制动盘材料HT200的塑性特性对制动盘热疲劳裂纹萌生寿命的影响很大,在研究制动盘裂纹萌生寿命时需考虑高温下塑性特性对寿命的影响。利用制动盘在高温制动过程中的周向应变并考虑高温下材料的塑性特性计算热疲劳裂纹萌生寿命,为制动盘热疲劳寿命的评价打下基础。     

某型航空发动机涡轮盘低循环疲劳寿命分析

确定发动机零部件的最大应力应变循环是进行零部件寿命研究的重要内容之一.弹塑性有限元分析常用于计算最大应力应变循环,但是由于各种载荷、约束等条件考虑不全面,得到的应力应变循环往往偏大.同时,某些零部件的瞬态温度场是决定其疲劳强度和使用寿命的重要因素,而获得准确的瞬态温度场是非常困难的.文中对某型发动机的高压涡轮盘进行疲劳试验条件下弹塑性有限元分析,对一台涡轮盘的残余应力进行测试,利用稳态温度场计算涡轮盘危险点最大应力应变循环,并根据弹塑性有限元分析和通过残余应力测试得到的最大应力应变循环进行低循环疲劳寿命预测.研究结果表明,弹塑性有限元分析法预测的寿命偏低,由残余应力可以较准确地确定最大应力应变循环.     

纤维缠绕复合材料管道双轴疲劳寿命预测研究

对纤维缠绕复合材料管道的双轴疲劳行为进行了实验与理论研究。根据多轴疲劳试验的要求,设计了一种新的纤维缠绕成型复合材料薄壁管型试样,通过对不同缠绕角度试样在不同双轴载荷比条件下的双轴疲劳实验,得出了玻璃纤维/环氧树脂薄壁管的应力/寿命曲线。参考金属材料的多轴疲劳失效准则,结合复合材料各向异性的特点,提出了复合材料多轴疲劳失效准则,对不同缠绕角复合材料管道在不同载荷条件下的疲劳寿命进行统一。结果表明:本文提出的失效准则可以把不同缠绕角复合材料在多种载荷条件下的多轴疲劳寿命统一起来,从而根据一个给定缠绕角度试样在某种试验条件下疲劳寿命来预测其它缠绕角度条件下的疲劳寿命,具有非常重要的理论研究价值和工程应用前景。     

复合材料修补结构疲劳寿命分析方法研究

结合工艺方法,研究典型缺陷损伤的修理方法,针对复合材料修补结构应力分布复杂的特点,在剩余强度衰减模型的基础上引入局部应力应变法的分析思想,建立起复合材料修补结构的疲劳寿命预测模型。通过建立修补结构的力学分析模型,在分析了修补结构的危险部位和应力集中的基础上,利用寿命预测模型,分析和讨论补片直径和补片厚度两个修补参数对修补结构疲劳寿命的影响规律。     

随机疲劳寿命预测的局部应力应变场强法

在应力场强法研究的基础上，提出了缺口疲劳损伤局部应力应变场强方法，该方法可同时考虑缺口根部局部应力应变梯度对疲劳损伤的影响。通过对缺口件进行随机交变加载下的弹塑性有限元分析，给出一种随机疲劳寿命预测的局部应力应变场强方法，由该法来预测缺口件疲劳裂纹形成寿命，经初步验证，其精度要高于传统的局部应力应变法。     

蠕变—热疲劳交互作用的力学机理

随着航空航天、能源和化学工业的发展,高温设备的应用越来越广泛.这些设备在稳态运行中受到蠕变损伤,在起动、停车或工况突变时受到热疲劳或热机械疲劳损伤,潜在危险性极大,一旦发生事故往往是灾难性的.考虑材料的双线性随动强化性质和蠕变特性,研究蠕变-热疲劳交互作用的力学机理,得到如下结论: ①升温和保温过程生成的压缩非弹性应变(塑性应变和蠕变应变)越多,降温过程产生的拉应力和拉应变越大,设计受蠕变-热疲劳损伤的构件时宜优先选择具有较高压缩屈服点和较低蠕变速率的脆性材料.②蠕变影响着循环的应力幅和平均应力,并使它们经历一定数量的循环后达到稳定状态,可以把蠕变-热疲劳损伤等效为热机械疲劳损伤,从而使寿命预测和试验简单可行.     

Study on the Thermal Fatigue Life of H13 Steel for Aluminum Alloy Casting

压铸模具是压铸的关键部件之一,其经受周期性的加热与冷却,易产生热疲劳.针对这种现象,研究压铸模具热疲劳的过程,不同工艺对热疲劳寿命的影响规律,探索预测压铸模具热疲劳寿命的方法.研究开发自约束冷热疲劳方法的热疲劳试验机,试样在铝液中加热,在脱模剂中冷却,试样内部通冷却水冷却,实现在压铸条件下的模具热疲劳试验.采用开发的热疲劳试验机对H13钢试样进行热疲劳寿命试验研究,在试验过程中测量试样的温度变化,每隔3000～4 000次测量残余应力,观察裂纹,经过几万次的循环后可以得到应力变化曲线和基于温差的模具热疲劳寿命曲线.研究水冷对试样的温度、应力、裂纹以及热疲劳寿命的影响.同时,针对试验过程进行传热数值模拟,得到不同工艺条件下的模具温差.试验和数值模拟相结合讨论如何提高模具的热疲劳寿命.     

电镀铜薄膜疲劳性能与寿命预测

利用MMT-11N微机械疲劳试验系统对11.5 μm厚无基体支持的电镀铜薄膜试件的拉伸疲劳特性进行了试验研究.试件采用准LIGA工艺制作.试验在室温条件下进行,采用载荷控制、脉动循环加载,载荷频率为20 Hz,得到了铜薄膜光滑试件和缺口试件的S-N曲线,根据传统宏观疲劳理论确定了铜薄膜循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线.利用修正局部应力-应变法对缺口试件的疲劳寿命进行了预测,预测寿命与试验寿命误差在3.2倍因子之内,预测结果较好地符合试验结果.试验表明,取半寿命周期的迟滞回线作为稳定迟滞回线在微机械疲劳中仍是可信的,局部应力-应变法亦可应用于微机电系统疲劳寿命预测,宏观疲劳理论在一定程度上也适合于描述微机械疲劳.     

高速列车制动盘瞬态温度和热应力分布仿真分析

制动盘的热疲劳损伤是当前列车安全制动的主要威胁。制动过程中的瞬态温度和热应力分布是热疲劳损伤研究的基础。通过建立制动盘无内热源的三维温度场分布的数学计算模型,采用热弹塑性有限元法,利用摩擦功率法计算温度场载荷,仿真不同制动工况下制动盘摩擦热负荷产生的温度场以及热应力分布。主要计算一次常用制动、一次紧急制动、三次紧急制动和一次坡道制动这4种制动工况。通过仿真分析发现,不同工况下制动盘面的温度变化有着相似的规律。制动开始阶段,随着强热流的不断输入,盘面在很短时间内迅速升温,很快达到峰值点。随后,盘体逐渐通过辐射和对流的方式散热,温度缓慢下降。相对紧急制动和常用制动的升温过程,坡道制动的升温显得缓慢一些。研究不同工况下制动盘温度和热应力的变化和分布规律,为高速列车复合材料制动盘的热疲劳性能评价提供依据。     

复杂应力状态下高温高强度铝合金LD8热疲劳特性的研究

利用带缺口试件进行了同相和异相热疲劳试验，并借助轴对称热疲劳力学行为的有限元数值分析程序，计算和分析了缺口处的复杂应力和应变，探讨用当量应变范围和当量塑性应变能密度评价热疲劳寿命的可能性。结果表明，在一定加载范围内，当量应变范围和当量塑性应变能密度都可以作为评价复杂应力状态下热疲劳寿命的有效力学参量，而且不受试件形状和尺寸的影响。     

Influence of Thermal Fatigue on the Wear Behavior of Brake Discs Sliding against Organic and Semimetallic Friction Materials

ABSTRACT

In this article, brake discs are exposed to high thermal stress, causing thermal fatigue damage. The aim of this work is to study the evolution of the wear behavior of brake disc materials, such as cast iron, chromium steel, and metal matrix composites, under the influence of thermal fatigue. The brake disc specimens are heated and then cooled rapidly. Then, wear tests are carried out using a pin-on-disc-type tribometer. Organic and semimetallic friction materials are used for all wear tests. The results show that thermal fatigue affects the structure of the contact surfaces of all of the disc specimens by increasing their roughness. Furthermore, the wear rate of the friction materials increased, except a reduction of the wear rate is noted for the semimetallic friction material rubbing against cast iron. Moreover, thermal fatigue has no significant influence on the coefficient of friction. The worn surface of the metal matrix composite sliding against semimetallic friction material is characterized by abrasive and adhesive wear mechanisms.     

基于ANSYS Workbench的盘式制动器热-机耦合分析

为进一步研究盘式制动器在制动过程中的行为,在建立盘式制动器热-机耦合简化计算模型的基础上,考虑温度变化对材料物理性能和摩擦因数的影响,运用ANSYS Workbench模拟分析不同制动初速度与不同制动压力下制动盘的热-机耦合特性,并从制动盘径向、周向、轴向等维度对其温度场与应力场进行了研究。结果表明：盘式制动器在紧急制动过程中,温度和应力的最大值与制动初速度和制动压力成正相关;制动初速度和制动压力对制动盘温度场和应力场有较大的影响,其中制动压力对制动盘温度和应力最大值的影响比制动初速度更加明显;制动盘温度与等效应力在圆周上都呈环带状分布,二者具有一致性,制动盘达到温度最大值早于达到应力最大值,二者之间具有耦合特性;制动盘温度在径向和轴向上存在较大的温度梯度,从而引起较大的应力变化。研究结果为探索制动盘温度场、应力场分布规律和制动盘在不同工作状态下的热-机耦合特性提供了参考。     

基于长大坡道持续制动的新型制动盘研究

随着我国中西部地区高速铁路的建设,由于长大坡道线路带来的问题日益凸显。在长大坡道行驶时如果电制动出现故障,将采用纯空气制动,长大坡道造成的持续制动会导致制动盘的热负荷急剧上升。由于散热的时效较慢从而导致制动盘温度过高,同时产生较大的温度梯度,从而导致制动盘热疲劳裂纹产生。为了解决长大坡道工况下制动盘的换热效率提升和降温问题,基于兰新线的长大坡道工况,通过设计新型的铝嵌钢结构制动盘,采用有限元分析软件对铝嵌钢结构制动盘和全钢制动盘进行仿真计算,得到温度场和热应力分布。结果表明,在长大坡道采用纯空气制动时,铝嵌钢制动盘可以在实现轻量化的同时明显降低制动盘面的温度和温度梯度,缓解长大坡道制动带来的制动盘热疲劳问题。     

新型铝合金材料制动盘热-结构耦合分析

随着近年来轨道交通车辆的轻量化、长寿命的要求不断提高,部分车辆制动盘的材料研究与应用逐渐由铸铁、铸钢转移到陶瓷基复合、铝基复合等材料上。为进一步研究铝合金制动盘的材料性能对设计方案的影响,通过制动盘台架试验结果对热容量分析参数进行修正,完成制动盘热容量分析精确建模,并基于热容量分析对铝合金制动盘进行热-结构耦合分析,实现铝合金制动盘结构设计方案的优化。     

风电制动器的热—结构耦合分析

针对制动器紧急制动时制动盘的旋转运动规律,根据风电制动器的实际结构和热传导的基本理论,建立了制动盘的温度场的数值模型,提出了循环迭代的计算方法,并用ANSYS有限元软件模拟了制动盘的温度场。将温度场中的热单元转化成结构单元实现热-结构的间接耦合,采用184单元刚性梁特性来带动制动盘转动,从而来模拟制动盘的减速运动,在充分考虑温度场和应力场的耦合关系的情况下,提出了分步加载的方法来计算制动盘的应力场。模拟结果表明:制动盘摩擦区域的点的等效应力分布与其温度场的分布基本一致。     

基于蠕变模型细间距器件焊点疲劳寿命预测

基于Garofalo-Arrheninus模型,采用有限元软件Marc模拟焊点温度场、应力-应变场和变形情况,借助修正C-M方程计算焊点的疲劳寿命.研究结果发现,器件相应材料中,只有印刷电路板内部温度场分布不均匀,这是材料热传导系数过小所导致的.发现应力集中的区域出现在焊根、焊趾以及引线和焊点交界处,基于Marc软件和基于Ansys软件模拟的结果一致,并和实际情况良好吻合.时间历程蠕变和塑性应变出现明显的累积迭加的趋势,两者共同作用导致焊点破坏,致使器件失效.在温度循环加载的过程中,整个器件一直处于拉应力的状态.基于修正C-M方程计算出焊点的疲劳寿命为665.7周次,和试验结果基本吻合.     

盘式制动器中热问题的研究概况

摩擦热是影响摩擦副材料性能变化的最直接因素。过高的摩擦热不仅使摩擦副材料的摩擦学性能发生变化,而且导致热弹性不稳定性（TEI）、局部过热点现象等发生,制动盘发生热变形。目前研究认为,热弹性不稳定性是制动器发生热颤振和噪声的主要来源,最终可能导致制动器过早失效。本文针对这些方面的研究进行了综述,最后进行总结并对未来研究工作提出了展望与建议。     

Low and high cycle fatigue of automotive brake discs using coupled thermo-mechanical finite element analysis under thermal loading

Journal of Mechanical Science and Technology - To predict the thermal fatigue life and thermal stress phenomena of a brake disc, it is necessary to study the thermo-mechanical coupling effect in...     

车联网环境下考虑前方车辆驾驶人意图的汽车主动预警防撞模型

前方车辆驾驶人意图信息对后方车辆预警防撞模型危险判断至关重要,针对传统防撞模型误警率高、制动不及时等问题,设计了一种考虑前方车辆驾驶人意图的汽车主动预警防撞模型。首先,选择BP神经网络（Back-propagation neural network,BPNN）和隐马尔可夫模型（Hidden Markov model,HMM）作为驾驶行为层与驾驶意图层的主体模型,并利用驾驶模拟器采集的前车制动踏板、加速踏板和车速等意图观测数据作为输入构建意图识别模型,从而实现对前车驾驶人加速驾驶、匀速驾驶、正常制动和紧急制动意图的识别;其次,利用车联网将前车驾驶人意图识别结果与路面附着信息传递给后方车辆,建立考虑前车驾驶人意图的汽车主动预警防撞模型,动态判断碰撞危险并调整预警及制动执行逻辑;最后,为验证所提出的意图识别模型准确性和主动预警防撞模型的有效性,搭建基于Simulink、Carsim及PreScan的联合仿真平台,并进行多工况试验测试。结果表明,所提出的BP-HMM模型对前车驾驶人意图的平均识别准确率为94.17%,优于传统BP或HMM识别模型;主动预警防撞模型在预警测试中的平均正警率为93.43%,与TTC、Mazda及考虑后车驾驶人意图的三种模型相比,平均误警率分别降低了16.12%、23.43%和26.67%,且在自动紧急制动测试工况中均能成功避免碰撞,两车最短相对距离大多保持在2～8 m范围内,平均值为3.698 m,具有更高的安全性和稳定性。