高铁锻钢制动盘热疲劳裂纹扩展仿真及寿命评价

王连庆，吴圣川，胡雅楠，秦庆斌，钱坤才

(1.北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083；2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；3.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，常州 213011)

1 引 言

高速列车普遍采用摩擦盘形制动装置。随着运行速度的提高，制动负荷及热能呈现几何级增长，必然使制动盘局部区域产生超常热点。反复制动后会导致热疲劳、氧化和磨损等损伤，一般表现为盘面中心区出现网状的径向热疲劳裂纹[1]。微裂纹缓慢增长并逐渐汇聚为一条主裂纹，扩展至一定尺度后，便导致整个制动盘的断裂失效，严重危及乘客生命财产和行车安全[2]。

对在役制动盘进行无损探伤，探索热疲劳开裂行为及其演变机制，有利于厘清制动盘不同服役工况下的运用情况，为制定合适的检修周期和判废限界提供重要的理论依据[2，3]。然而，制动盘的高速转动使得实验技术很难准确测定热斑和热裂纹的形成区间，并且实验数据稀缺，代表性严重不足，更无法实时追踪缺陷空间演化行为[4-6]。

另一方面，采用数值方法能够高效地重建给定制动工况下制动盘中热应力场的演变规律，结合制动盘材料的疲劳断裂参数，得到裂纹尖端场的应力强度因子，估算出剩余寿命，已成为当前制动盘损伤容限分析的首选方法[7,8]。

必须指出，传统数值方法基于小变形理论进行热应力场研究。以往方法在进行热裂纹扩展仿真中，裂纹每扩展进一步，制……