制动盘仿生耦合表面抗疲劳性能研究

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1、____________________________________________制动盘仿生耦合表面抗疲劳性能研究____________________________________________ResearchonFatigueResistanceofBiomimeticCouplingSurfaceAppliedtoBrakeDisc_______________________作者姓名：杨肖专业名称：农业工程（仿生科学与工程）研究方向：地面机械仿生理论与技术指导教师：任露泉教授学位类别：

2、工学博士培养单位：生物与农业工程学院论文答辩日期：2015年6月2日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位余群教授中国农业大学主席：杨建东教授吉林工商学院任文涛教授沈阳农业大学委员：任露泉教授吉林大学周宏教授吉林大学丛茜教授吉林大学杨建东教授吉林工商学院韩志武教授吉林大学刘喜明教授中国科学院长春光学刘喜明教授中国科学院长春光学精密机械与物理研究所精密机械与物理研究所摘要论文题目：制动盘仿生耦合表面抗疲劳性能研究专业名称：仿生科学与工程指导教师：任露泉教授；张志辉教

3、授摘要盘式制动器不仅具有构造简单、重量轻、散热快和调整方便等诸多优点，同时在高负载工况下还具有良好的耐磨性，因此，正逐渐取代毂式制动器成为当今制动装置的首选。制动盘作为盘式制动器的核心部件之一，在制动过程中，不仅承受着来自摩擦片的制动压力和制动摩擦力，还经受因摩擦产生的热应力，工况条件十分恶劣，属于典型的热机耦合问题。研究发现，在单次制动过程中，大量动能转化为热能，造成制动盘表面温度迅速升高，产生较大温度梯度和热应力。在频繁制动过程中，产生的交变热应力会对制动盘造成热疲劳破坏，使制动盘表面产生热疲劳裂纹，

4、导致制动盘热机疲劳失效。目前，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技术问题，因此，提升制动盘抗热机疲劳性能已经成为国内外研究的热点。灰铸铁材料具有较高的强度、耐磨性和导热性，同时，其生产成本和加工成本相对较低，能够满足通用车辆的制动要求，因而该材料被广泛应用于汽车制动系统中。然而，随着工业发展，车辆正逐步呈现高速化和重载化趋势，在日益提高运行速度和更为苛刻的服役条件下，制动盘的制动性能与运行寿命远远达不到高效制动和长期运行的要求，其最主要的失效形式为热机疲劳失效。目前，提高制动盘抗疲

5、劳性能的传统方法大多依赖于整体材料或结构单一因素改进，而很少考虑表面形态、结构与材料等多个因素的综合影响。因此，在传统的处理技术中往往投入成本较高，效果却不理想，同时还会影响制动盘的其他性能。制动盘热机疲劳性能提升所面临的材料与结构设计瓶颈难题，生物界给出了最经济、最有效的解决方法。许多生物以最精妙的纹理形态、最精巧的复合结构、最经济的多相材料等多个因素相互耦合、协同作用，展现出了优异的止裂、抗疲劳功能特性，并以最低的物质和能量消耗获得了最大的抗疲劳时效，如贝壳、蜻蜓、树叶等。因此，基于生物止裂、抗疲劳功

6、能原理，开展制动盘表面形态、结构与材料多因素耦合设计研究，这将为制动盘热机疲劳性能提升提供新思路、新方法与新技术。本文首先利用热力耦合计算，研究了常规灰铸铁制动盘在不同工况下的温度场、应力场以及弹/塑性应变场，分析了常规制动盘疲劳失效规律和内在机制。在此基础上，基于植物叶片和蜻蜓翅膀等生物体表多因素耦合抗疲劳功能原理，采用激光合金化技术，在灰铸铁材料表面熔敷铁基自熔合金，构建形态－结构－材料一体化的多因素耦合仿生功能表面。通过机械疲劳试验和热疲劳试验，研究仿生耦合功能表面抑制裂纹萌生与扩展的作用规律；通过

7、三维有限元计算模拟，分析了仿生耦合功能表面温度场和应力场的变化，计算了仿生耦合功能表面的断裂力学性能，揭示了其抗疲劳功能原理。研究表明，车辆在初始制动速度为60km/h、120km/h和180km/h的工况下，常规制动盘表面产生的最大温度分别为129.7℃、241.6℃和357.9℃，最大等效应力分别为I吉林大学博士学位论文122Mpa、245Mpa和362Mpa。在制动过程中，常规制动盘径向上会产生绕横截面法向的逆时针变形，周向上产生绕半径顺时针变形；在冷却过程中，常规制动盘径向会产生绕横截面法向的顺时

8、针的变形，周向上产生绕半径逆时针变形。当制动盘表面发生塑性变形时，表面的周向塑性变形大于径向塑性变形，产生的周向残余拉伸应力大于径向残余拉伸应力，是导致常规制动盘表面产生径向裂纹的主要原因。提取生物耦合抗疲劳特征参数，采用激光合金化技术，在灰铸铁表面制备出条纹、桩钉和网格形态的仿生耦合体，其单元体深度分别为0.5mm、1.0mm和1.5mm，分布夹角为90°、60°和45°。其中仿生耦合体的激光加工工艺参数为：电流强度为165