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炭/炭复合材料刹车盘制动温度场、应力场的模拟及验证

作　者: 郭瑞
导　师: 易茂中；徐惠娟；葛毅成
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 炭/炭复合材料温度场热应力场摩擦磨损
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

炭／炭复合材料具有优良的摩擦磨损和耐烧蚀性能,在航空航天领域中已得到了广泛的应用。在相关研究中,热应力的影响逐渐得到重视。但因在制动过程中,热应力的准确测量较困难。所以,本文以两种机型用的三种炭/炭复合材料飞机刹车副为研究对象,采用有限元技术,计算其在制动过程中的温度场、热应力场,并探讨了温度、热应力对材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：1)通过计算发现,在正常着陆能载条件下,A机型国外样件的新件、90%磨损件及100%磨损件的最高温度分别为1214℃、1280℃和1317℃,由于其导热性能较差,形成的温度梯度较大；而A机型国内样件由于其优良的高温导热性能,刹车副产生的温度较低,其新件、90%磨损件及100%磨损件的最高温度分别为733℃、914℃和953℃,温度梯度较小。但是,不同磨损程度的两种样件均在靠近压紧盘的第一个静盘处产生了热量集中。B机型国内样件在正常着陆、超载着陆两种能量条件下的温度场变化类似,仅在数值上存在一定的差别,超载着陆时摩擦表面的温度较高,约为902.2℃。但是B机型国内样件是在靠近中间静盘处产生了热量集中。实验测定的温度结果与计算结果一致,证明了有限元方法计算的有效性。2)通过计算得到三种样件在正常着陆条件下和B机型国内样件在不同能载条件下的热应力场分布云图。在正常着陆条件下,三种试样均在靠近外径的位置出现热应力最大值,且轴向和径向存在热应力梯度。三种试样的最大热应力值分别为34MPa、13.5MPa、17MPa,其中A机型国外样件的热应力最大,A机型国内样件最小。B机型国内样件在在超载着陆时的最大热应力为29.4MPa,约为正常着陆时的2倍。3)研究了三种样件在中间静盘测温点处的热应力随时间的变化。发现,A机型国外样件的热应力持续走高,而A机型国内样件的热应力在制动初期达到峰值后迅速降低。B机型国内样件的热应力在两种能载条件时的变化趋势相似,均是在制动初期出现较小的峰值,随着制动过程的进行,热应力迅速下降而后逐渐增大,并趋于稳定。4)研究A机型国、国内两种样件的摩擦表面和磨屑形貌可知,制动过程中较高热应力的存在使得A机型国外样件的摩擦表面产生了应力石墨化作用,改善其摩擦磨损性能。而A机型国内样件在制动过程中所产生的较低的热应力对摩擦表面摩擦膜的形成有促进作用,且形成磨屑较为细小,增加了配副间的实际接触面积,提高制动效率。

炭/炭复合材料刹车盘制动温度场、应力场的模拟及验证

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