C/SiC复合材料制动盘力学实验与仿真优化设计

摘要

随着汽车使用量的不断增加，能源和环境等一系列问题不断加剧，为实现车辆节能减排，车辆轻量化成为人们关注的重点。本文以汽车盘式制动器为主要研究内容，由于常规铸铁材料因其密度大，高温制动性能差等缺点导致人们将目光转向新型材料，C/SiC复合材料因其耐高温，摩擦稳定，密度小等优点受到关注。为此本文对由碳纤维增强碳化硅基材料制成的汽车盘式制动器的制动性能进行了实验及仿真优化研究。
　　通过对自行研制的C/SiC复合材料进行力学及热学性能分析，得到了材料的一些物理性能，并使用声发射设备获得了材料的强度设计值约为材料最大强度的70％，初步确定其作为制动材料是可行性。然后将该种材料制作成制动盘，对其进行台架实验，实验主要检测制动盘的摩擦稳定性，涉及到不同压力及速度下的摩擦系数，不同温度以及干燥湿润状态下的摩擦系数稳定性，通过试验发现C/SiC复合材料随着制动压力的增加摩擦系数出现轻微降低，在高温下没有出现热衰退现象，同时在湿润状态下摩擦系数降低小于传统铸铁制动盘。
　　在进行数值仿真时，主要分析了制动盘以及粉末冶金制动衬片在不同制动压力下的温度分布以及应力分布特点，发现制动盘最高温度出现在制动盘与衬片接触的环面中心部分，由中心向两侧逐渐降低，温度梯度分布呈现由制动盘环面中心向两侧先升高后降低的特点，并且在较大的制动压力下制动盘环面最高温度更高，相应的温度梯度也更高。制动盘环面周向温度分布不均匀，且在接触边缘位置温度梯度比较大;制动衬片最高温度在制动过程中先升高后降低，整体温度分布呈现前低后高的分布特点;制动盘的应力最大值为34.3MPa，远小于材料的强度设计值，最大应力出现在制动盘的内侧，与制动衬片接触的位置，并且在通风道处出现了轻微的应力集中现象。
　　对于通风盘散热性能的优化，首先确定了六个设计变量，包括通风道弯曲半径、两端椭圆形开口的大小和制动盘厚度共6个设计变量;同时还确定了制动盘热量耗散量为优化目标;使用正交试验方法确定了六个变量的取值，生成了50组模型并使用fluent进行分析，得到了相应的散热量;将设计变量与优化目标作为样本进行BP神经网络训练，并使用粒子群算法进行极值寻优得到了制动盘散热的最优模型。通过对优化后模型和原始模型对比发现，优化后模型通风道与气流接触面积以及气流流量更大，流体速率也更高，优化后的通风道稳态对流散热率达到了646W，在制动盘的散热中起到了主导作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究的目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 力学性能及摩擦特性试验研究

1．3．2 制动盘仿真及优化研究

1．4 本文的主要内容

第二章：C／SiC复合材料力学及摩擦性能试验分析

2．1．1 C／SiC复合材料拉伸试验

2．1．2 C／SiC复合材料三点弯曲试验

2．1．3 C／SiC复合材料压缩试验

2．2 声发射确定材料强度设计值

2．3 制动盘台架试验

2．4 本章小结

第三章 热结构有限元的理论基础

3．1 热结构基础理论

3．1．1 摩擦生热基础理论

3．1．2 传热问题的基本理论

3．2 三维模型热结构基础理论

3．2．1 瞬态热传导有限元的一般格式

3．2．2 热应力的有隈元计算

3．3 本章小结

第四章 盘式制动器热结构耦合仿真分析

4．1 制动器建模及仿真参数设置

4．1．1 制动器建模参数

4．1．2 有限元仿真过程参数设置

4．2 低制动压力制动减速过程模拟

4．2．1 低制动压力基本设置

4．2．2 低制动压力制动盘温度场结果

4．2．3 低制动压力制动盘应力结果

4．3 高制动压力制动减速过程模拟

4．3．1 高制动压力基本设置

4．3．2 高制动压力制动盘温度场分析

4．3．2 高制动压力制动盘应力场结果

4．4 本章小结

第五章 制动盘通风结构优化

5．1 通风孔优化目标及优化变量的确定

5．1．1 优化变量的确定

5．1．2 优化目标的确定

5．1．3 正交试验方法选取优化变量及其相应的优化目标值

5．2 近似模型的构造

5．2．1 近似模型的构造流程

5．2．2 数据的神经网络训练及粒子群算法求解最优值

5．3 优化前后制动盘流场对比

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢