基于陶瓷复合材料的盘式制动器热力耦合仿真分析

针对盘式制动器在制动过程中温度分布不均而产生过大热变形，甚至出现热疲劳裂纹、磨料脱落等问题，利用ANSYS Workbench平台建立SiCP/Al陶瓷复合材料盘式制动器热力耦合模型，探究了不同制动力和制动速度下制动盘温度、位移、应力的变化规律，并将计算结果与传统金属制动盘进行对比。结果表明：在额定速度下，随着制动压力的等量增加，温度及应力的最大值均随着制动压力的等量增加而非线性增加，位移沿径向方向呈现出先增大后减小的趋势；随着制动速度的增加，温度的差异明显增大，最大应力与位移均出现在制动盘与摩擦片接触处；与传统材料制动盘相比SiCP/Al陶瓷复合材料制动盘制动效果更加明显且制动性能更稳定。相关结果可为盘式制动器的安全运行和优化设计提供技术参考。

制动器作为车辆制动系统的关键零部件之一，其制动性能直接关系到车辆的运行安全[1]。目前市场上主流的有盘式制动器和鼓式制动器，盘式制动器因其稳定性强、结构简单等优点，在乘用车领域已占据主导性地位[2]。汽车制动盘多采用铸铁材料，但是铸铁的性能对温度十分敏感，随着温度的升高制动盘会出现热疲劳、热衰退等现象[3]。SiCP/Al 陶瓷复合材料具有密度低、热膨胀系数小、耐高温、耐疲劳等特点，在航空航天、交通运输等领域有着广泛的应用[4]。因此对陶瓷复合材料盘式制动器进行热力耦合仿真有重要的理论意义和应用价值。

目前汽车制动盘应用最广泛的是铸铁材料，但是由于适用温度的限制，铸铁材料在高速情况下容易出现热疲劳等现象，为此近年来，国内外广泛开展了对高性能摩擦材料的研究。Ma 等[5]制备了不同纤维的纸基摩擦材料，并分析了碳纤维增强摩擦材料在不同工况下的摩擦磨损性能。Li 等[6]研究了Si3N4陶瓷材料在不同环境温度下的摩擦磨损行为和不同表面质量的材料去除机理，并与普通金属材料进行对比，结果证明Si3N4 陶瓷材料具有更良好的力学稳定性。Si 等[7]以各种硬质颗粒为摩擦相制备了SiO2/SiC/Al2O3 铜基摩擦材料， 并探究了温度对摩擦材料摩擦学行为的影响。

Wei 等[8]开发了两种使用碳纤维或碳纳米管替代铜纤维的无铜制动材料，并评估了它们的摩擦学性能、颗粒排放和制动尖叫噪声， 得出了无铜制动材料比含铜制动材料具有更大的比磨损率。

Jubsilp等[9]制备了UFNBRPs摩擦复合材料， 所制备的材料拥有较高的摩擦系数和耐磨性，符合汽车刹车片的工业标准。

此外针对盘式制动器，采用热力耦合技术分析应力场与温度场之间的作用关系是当前的主要研究手段。Wen [10]在ABAQUS 中建立了客车盘式制动器的三维模型，并对盘式制动器的温度场进行了数值模拟，得出了不同制动条件下的制动盘表面温度分布特性。Belhocine 等[11]使用ANSYS 软件对两种类型制动盘进行了数值建模，并采用热–结构耦合方法进行了瞬态热分析和静态结构分析，最后将两种类型制动盘的模拟结果进行对比。

Yevtushenko 等[12]提出了一种确定多盘系统中单个制动盘温度的解析模型，