高速列车合金锻钢制动盘寿命评估研究

论文摘要

制动盘热裂纹对高速列车运行安全危害性较大，如果不加以监控，可能会引起制动盘断裂，直接影响列车和旅客人身财产的安全。因此，建立既精确又行之有效的高速列车制动盘缺陷评定及寿命评估系统对于保证行车安全具有十分重要的理论意义和现实意义。 本文以高速列车合金锻钢制动盘缺陷评定及寿命预测为研究目标，从对高速列车“中华之星”和“先锋号”合金锻钢制动盘裂纹现状的调查和分析入手，介绍了热裂纹扩展的基本规律，采用有限元软件对锻钢制动盘紧急制动过程中的温度场和应力场进行了数值模拟，应用断裂力学理论结合现场试验对制动盘寿命评估方法进行了深入研究，开发了使用简单方便的制动盘寿命评估系统。论文主要工作包括： （1） 对高速列车“中华之星”及“先锋号”制动盘裂纹现状进行全面调查研究。摸清了我国高速列车制动盘裂纹特征及分布规律，分析了制动盘裂纹剖面的宏观形貌特征，对制动盘断面形貌特征和裂纹扩展规律之间的联系做出新解释，为制动盘寿命评估提供了新思路。 （2） 用线弹性断裂机理分析了裂纹的扩展规律；采用三点弯曲法SE（B），对制动盘材料的断裂韧度KIC及疲劳裂纹扩展速率da／dN进行试验测定；确定了材料疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth，为制动盘的疲劳裂纹扩展评定和寿命预测提供必要的数据。 （3） 用断裂力学方法对制动盘缺陷评定和寿命评估原理进行深入研究。建立了制动盘疲劳裂纹的分析模型，提出用断裂率Kr以及载荷率Sr为失效双判据的缺陷评定图（FAD）对含裂纹的制动盘进行安全评定；以Paris公式为依据，以紧急制动次数为评价指标，推导出制动盘剩余寿命预测表达式N，为开发合金锻钢制动盘剩余寿命预测系统奠定了理论基础。 （4） 依据高速列车锻钢制动盘的结构特点，建立了制动盘循环对称有限元三维模型。提出用热辐射率折算成对流换热系数的新方法，简化了散热边

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外相关研究状况综述
• 1.2.1 制动盘的材料
• 1.2.2 制动盘热裂纹研究现状
• 1.2.3 制动盘温度场、应力场数值模拟
• 1.2.4 疲劳寿命评估方法及缺陷评定技术
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 制动盘裂纹现状调查分析
• 2.1 引言
• 2.2 制动盘热裂纹现状调查
• 2.3 裂纹剖面宏观形貌分析
• 2.4 制动盘裂纹扩展影响因素分析
• 2.5 小结
• 第三章 裂纹扩展基本规律及断裂参量确定
• 3.1 引言
• 3.2 线弹性断裂机理
• 3.2.1 裂纹的分类
• 3.2.2 裂纹对强度的影响
• 3.2.3 应力强度因子
• 3.3 裂纹扩展方向
• 3.4 疲劳裂纹扩展速率
• 3.4.1 裂纹扩展lg（da/dN）-lgΔK曲线
• th'>3.4.2 应力强度因子门槛值ΔK_th
• 3.4.3 疲劳裂纹扩展速率公式
• 3.5 材料断裂参量确定
• IC确定'>3.5.1 断裂韧度K_IC确定
• 3.5.2 材料疲劳裂纹扩展速率da/dN试验测定
• th的确定'>3.5.3 疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th的确定
• 3.6 小结
• 第四章 制动盘寿命评估原理
• 4.1 引言
• 4.2 疲劳寿命评估方法
• 4.2.1 名义应力法
• 4.2.2 局部应力应变法
• 4.2.3 断裂力学法
• 4.3 裂纹分析模型
• 4.3.1 裂纹分析模型的建立
• 4.3.2 裂纹规则化处理方法
• 4.4 制动盘寿命预测原理
• 4.4.1 断裂参量理论及其选择
• 4.4.2 制动盘安全评定方法
• 4.4.3 制动盘剩余寿命计算
• 4.5 小结
• 第五章 制动盘温度场数值模拟及试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 温度场数值模拟的热力学基础
• 5.2.1 热力学第一定律
• 5.2.2 热传递的方式
• 5.2.3 温度场
• 5.2.4 热分析的三类边界条件
• 5.3 制动盘有限元模型的建立
• 5.3.1 制动盘结构特点及相关参数
• 5.3.2 有限元分析的假设条件
• 5.3.3 材料的热学性能参数
• 5.3.4 制动盘热输入模型
• 5.3.5 对流散热模型
• 5.3.6 热辐射边界条件的确定
• 5.4 数值模拟结果及分析
• 5.5 制动动力台试验及试验结果分析
• 5.5.1 试验装置、原理及试验方案
• 5.5.2 数值模拟和试验结果对比分析
• 5.6 小结
• 第六章 制动盘热应力场数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 制动盘热应力平衡方程的建立及求解
• 6.3 制动盘材料性能参数的确定
• 6.3.1 制动盘材料介绍
• 6.3.2 材料拉伸试验及性能参数的确定
• 6.4 制动盘热应力场数值模拟
• 6.4.1 材料的物理性能
• 6.4.2 有限元计算模型
• 6.4.3 计算载荷
• 6.5 热应力场数值模拟结果分析
• 6.6 小结
• 第七章 制动盘寿命评估系统的设计和实现
• 7.1 引言
• 7.2 系统总体框架
• 7.2.1 制动盘基本参数采集模块
• 7.2.2 裂纹临界尺寸计算模块
• 7.2.3 FAD缺陷评定模块
• 7.2.4 安全评定结果输出模块
• 7.3 系统功能的实现
• 7.3.1 系统总体功能的实现流程
• 7.3.2 临界裂纹长度计算子模块
• 7.3.3 评定分析子模块
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 结论
• 8.2 有待进一步研究的问题与今后展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研工作
• 详细摘要