高速列车制动盘热弹耦合动力学特性研究

In the period of high-speed train emergency braking, the friction between the brake disc and brake pad easily results in creep, thermal fatigue and thermal vibration damage for brake equipment, and therefore the study on temperature field of disc brake, thermal stress field and thermal vibration are of important theoretical significance and engineering value. This project aims to investigate dynamic characteristics of disk brake system in the emergency braking process of high-speed train. Considering the coupling state between the unsteady temperature field and the deformation filed, the contact pressure and strong friction effect between the brake pad and the brake disc (Coulomb friction force and friction force with relative velocity change), thermal physics characteristic parameters with the temperature change, three-dimensional asymmetric linear and nonlinear dynamic models of brake disc involving in thermoelastic coupling between unsteady temperature field and deformation field are established; an idea that high-speed train brake disc is made from new functionally graded materials is proposed, and a coupling dynamic model between thermoelasticity and friction for brake disc made of functionally graded materials is developed. The effects of the rotating angular velocity, heat conduction, heat convection and radiation, the friction force and the contact pressure distribution, graded index of material, thermal physical characteristic parameters being dependent on temperature change on the transient temperature field, thermal stress field, thermoelastic instability, thermai complex mode and self-excited vibration are revealed, and it can provide a theoretical basis for the design of braking system on high-speed trains for our country.

高速列车在紧急制动过程中，制动盘和制动闸片的剧烈摩擦极易造成制动装置的蠕变、热疲劳和热振动损坏，因此，研究盘式制动器的温度场、热应力场和热振动具有重要的理论意义和工程价值。本项目以高速列车在制动过程中盘式制动系统动力学问题为研究对象，考虑到非稳态温度场和变形场的耦合状况、闸片和制动盘之间的接触压力和强烈摩擦作用（库仑摩擦力和随相对速度变化的摩擦力）、随温度变化的热物理性能参数等，建立制动盘热-弹-摩擦耦合非稳态温度场和变形场的三维线性、非线性动力学模型；提出用新型功能梯度材料制造高速列车制动盘的设想，并建立功能梯度材料制动盘的热-弹-摩擦耦合动力学模型。揭示旋转角速度、热传导、对流和辐射、摩擦力和接触压力的分布方式、随温度变化的热物理性能参数和功能梯度材料的梯度指标对瞬态温度场、热应力场、热弹性不稳定、热复模态特性和自激振动的影响规律，为我国高速列车制动系统的设计提供重要的理论基础。

高速列车在紧急制动过程中，制动盘和制动闸片的剧烈摩擦极易造成制动装置的蠕变、热疲劳和热振动损坏，因此，研究盘式制动器的温度场、热应力场和热振动具有重要的理论意义和工程价值。本项目对高速列车在制动过程中盘式制动系统动力学问题，考虑到非稳态温度场和变形场的耦合状况、闸片和制动盘之间的接触压力和强烈摩擦作用（库仑摩擦力和随相对速度变化的摩擦力）、随温度变化的热物理性能参数等，建立l了制动盘热-弹-摩擦耦合非稳态温度场和变形场的三维线性、非线性动力学模型，揭示了旋转角速度、热传导、对流和辐射、摩擦力和接触压力的分布方式、随温度变化的热物理性能参数和FGM的梯度指标对瞬态温度场、热应力场、复模态特性和自激振动的影响规律。调整和补充了旋转等截面、圆环形变截面柔性梁的振动特性，温变物性参数的轴向运动粘弹性矩形板的横向振动和动力稳定性，伸展FGM矩形截面梁的横向振动，热环境中FGM输流管道的热横向振动等。本项目公开发表了标注 NSFC资助的期刊论文 16 篇，其中 SCI 收录论文 5 篇，SCI期刊2篇（已录用待发表），EI收录期刊论文8篇（已收录6篇，待收录2篇），北大中文核心期刊论文9篇（其中已录用待发表2篇）。获2017年度陕西省科学技术奖三等奖1项，名称为“非保守轴向运动功能材料系统非线性动力学研究”（本项目负责人为第一完成人）。在人才培养方面，项目负责人共指导与本项目研究内容相关的硕士研究生 9 人，均获硕士学位；指导博士研究生 5 人，1人已于 2017年 6 月通过博士学位论文答辩，获博士学位。培养中青年学术人才 1 人，晋升为教授。