本文是一篇機械論文研究，本文根據蘭新線的實際線路情況，根據速度與海拔變化計算制動盤在持續制動情況下的熱流密度。對蘭新線列車制動盤斷裂螺栓進行理化性能試驗，觀察斷面形貌和金相組織形貌，判斷螺栓根部材料是否存在缺陷。利用螺紋結構特點和數學表達式建立考慮螺紋的有限元模型，研究緊急制動和持續制動過程中制動盤和螺栓的溫度場和應力場分布。採用臨介面法結合 SWT 疲勞準則分析螺栓裂紋萌生和擴展疲勞壽命。
第 1 章 緒論
1.1 選題背景與研究意義
高速鐵路具有載客量大、耗時少、能耗較低和安全性好等優勢。由於我國社會、科技和經濟的高速發展以及地大物博的地理特點，高鐵成為了必不可少的交通運輸方式。蘭新高速鐵路（以下簡稱蘭新線）是一條貫穿新疆維吾爾自治區烏魯木齊市和甘肅省蘭州市的高速鐵路，又與隴海和包蘭等鐵路緊密連接，形成重要的西部鐵路運輸網絡如圖1-1 所示。蘭新線全長 1775.7 km 共設有 22 個車站，是首條在高海拔地區修建的高速鐵路，其最高海拔為 3640ｍ。蘭新高速鐵路的修建拉近了新疆與其他省的距離，推動新疆及其沿線城市的經濟發展。
.....................
1.2 國內外研究現狀
1.2.1 制動盤溫度-應力分析
螺栓屬於制動盤的連接件，其斷裂和制動盤的工作情況密切相關。因此，需要首先研究制動盤的工作狀態對螺栓的影響。近年來，制動盤的溫度和應力一直是分析制動性能的主要研究內容。通過 1:1 或縮小比例試驗台進行制動試驗，再結合有限元法和數值模型分析得到仿真結果。最後對比、調整係數得到制動盤在制動過程中溫度和應力變化。在此研究基礎上，部分學者以溫度和應力為基礎，研究制動盤和閘片磨損，結構優化和流場分布等內容。
在理論研究方面，A.A. Yevtushenko 等[1]以盤式制動為研究對象，在固定的制動盤上施加任意形狀的移動熱源模擬瞬態溫度場。考慮制動盤和閘片的熱分配係數，將數值模型和仿真模型的溫度分布與實驗數據進行比較。結果表明在多次制動過程中，制動部件摩擦表面上的平均溫度高於制動盤的整體溫度。J.G. Bauzin 等[2]基於分塊化閘片摩擦表面形狀特徵提出熱源分析模型，使用傅立葉和漢克爾積分變換解析動車組制動盤中溫度分布。在解析模型中引入補償項模擬制動時制動盤上出現的熱斑。可計算不同旋轉速度下，斑點數量、大小以及物理屬性值對制動盤的溫度分布的影響。王國順[3]採用熱-力耦合法研究接觸壓力對制動盤溫度場形狀變化規律，並進行了實驗驗證。根據摩擦半徑等參數提出形狀因子描述摩擦塊位置變化程度，且形狀因子越小制動盤溫度越低。採用模態分析法研究了非約束和約束對制動盤和閘片對固有頻率的影響規律，為制動器減振降噪提供依據。
......................
第 2 章 制動盤螺栓斷裂實驗檢驗分析
2.1 螺栓斷口宏觀形貌分析
裂紋萌生的位置為疲勞裂紋的裂紋源，容易出現在應力集中區域或材料缺陷處。部件在結構上存在台階、圓角和孔等，在材料上存在缺陷和夾雜等會造成應力集中的情況。裂紋萌生後，在循環載荷的作用下，裂紋不斷開合進一步擴展，在斷裂表面形成的痕跡稱為疲勞條紋。裂紋擴展時疲勞條紋較為平整，且有“海灘條帶”的形貌特點。當剩餘連接部分的強度不足以承受外載荷時，部件就會發生斷裂。因此，金屬疲勞斷裂的斷口一般被分為裂紋源、裂紋擴展區和斷裂區三個部分。
螺栓斷裂位置為螺母和螺栓嚙合第一圈處，如圖 2-1 所示。使用掃描電鏡對螺栓斷面進行了微觀形貌分析。圖 2-2 為螺栓斷口低倍形貌，斷口附近無明顯塑性變形，並可清晰地觀察到疲勞源區、裂紋擴展區和瞬時斷裂區三個區域。螺栓斷口的裂紋源位於螺栓根部圓角處，為應力集中區域。斷口呈現出單裂紋源特徵，裂紋從螺紋表面沿徑向擴展。整個疲勞擴展區域光滑，可見清晰的疲勞條紋。疲勞擴展區占據斷口的小部分區域（占比約 40%）。隨著裂紋的不斷擴展，螺栓截面上應力增加，當應力超過斷裂強度則發生斷裂，形成瞬時斷裂區。在瞬斷區高倍形貌（圖 2-2）可以看出存在微小發紋和孔洞，為韌窩形貌。結果說明疲勞載荷和一定的過載導致螺栓斷裂。
..........................
2.2 剖面金相組織分析
沿著螺栓軸線方向切取螺栓斷口剖面試樣，金相分析前用 4％硝酸酒精浸蝕。在螺紋根部處未觀察到粗大夾雜物和異常組織；對螺栓的螺紋面和圓角進行金相觀察，螺紋牙型完整，所有螺紋根部均沒有出現全脫碳層和摺疊缺陷。圖 2-4 為螺栓芯部金相組織照片，為正常的回火馬氏體組織。
............................
第 3 章 動車組制動盤螺栓熱-力耦合性能研究 ............................... 13
3.1 制動盤熱分析理論基礎 ................................... 13
3.1.1 熱傳導微分方程 ............................... 13
3.1.2 初始和邊界條件 ............................... 13
第 4 章 持續制動對制動盤螺栓性能影響 ........................... 27
4.1 蘭新高速鐵路線路工況 ..................................... 27
4.2 制動盤螺栓載荷分析 ................................. 29
4.3 制動盤螺栓有限元分析結果 ......................... 30
第 5 章 制動盤螺栓多軸疲勞壽命預測 ........................ 38
5.1 多軸疲勞破壞準則 ...................................... 38
5.2 臨界平面法 ........................................ 39
5.3 制動盤螺栓連續損傷與疲勞壽命預測 ..................... 41
第 5 章 制動盤螺栓多軸疲勞壽命預測
5.1 多軸疲勞破壞準則
疲勞是指在某部件或某點上受到擾動應力，充分循環作用後在部件上造成局部裂紋或斷裂的永久結構變化的過程。航空、軌道、車輛、船舶和建築等工業領域都涉及疲勞強度問題。在機械零部件中（螺栓、曲軸、連杆焊接和壓力容器等）超過 70%為疲勞破環[50]。疲勞失效按照循環次數可以為高周疲勞和低周疲勞，循環次數低於 103~104以下屬於的低周疲勞。在部件發生低周疲勞時，部件受到的應力水平較高且材料出現了塑性變形。因此，利用應力-循環次數曲線評估壽命的分散性較高。疲勞按照受應力狀態可以分為單軸疲勞和多軸疲勞，不同的疲勞類型對應不同的疲勞準則。Manson-Coffin[51-53]對單軸低周疲勞進行了大量的研究，以總應變幅為損傷參量研究應變和壽命之間的關係。但在實際應用中，部件的疲勞失效大多是受到多個方向的循環載荷作用。在多軸疲勞研究的初始階段，疲勞準則大多基於靜強度理論（Von Mises 等效應力、最大拉應力和 Tresca 最大切應力準則）。但這類準則在非比例情況下疲勞預測不太準確。能量法隨著 Morrow[54]塑性功理論的發展逐漸在多軸疲勞領域廣泛應用。她認為循環塑性變形及塑性應變能決定材料的多軸疲勞損傷。根據循環塑性預估疲勞壽命不能表達出裂紋萌生和擴展的方向。
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第 6 章 結論與展望
6.1 結論
本文根據蘭新線的實際線路情況，根據速度與海拔變化計算制動盤在持續制動情況下的熱流密度。對蘭新線列車制動盤斷裂螺栓進行理化性能試驗，觀察斷面形貌和金相組織形貌，判斷螺栓根部材料是否存在缺陷。利用螺紋結構特點和數學表達式建立考慮螺紋的有限元模型，研究緊急制動和持續制動過程中制動盤和螺栓的溫度場和應力場分布。採用臨介面法結合 SWT 疲勞準則分析螺栓裂紋萌生和擴展疲勞壽命。本文創新點和主要結論如下：
(1) 螺栓理化性能試驗分析結果滿足相關技術要求。斷口宏觀形貌發現裂紋源沒有材料缺陷，且具有典型的疲勞斷裂特徵。螺栓斷面疲勞擴展區域較小，表明螺栓在服役過程中承受一定過載導致螺栓發生低周疲勞斷裂。螺栓的斷裂可能與其安裝預緊力和實際線路條件等有關。
(2) 由於制動盤結構和材料熱性能的差異，在緊急制動過程中制動盤和螺栓的溫度分布不均勻。制動盤盤面最高溫度先增大後減少，制動結束後溫度逐漸降低。由於螺栓在制動過程中溫度緩慢升高後緩慢減小，螺栓的應力在整個制動過程中逐漸增高。且隨著制動初速度的增高，制動盤面和螺栓最高溫度和應力增加。
(3) 在坡道制動過程中，靠近制動盤的螺栓中部溫度最高且向四周擴散。相比制動盤面的溫度變化，螺栓溫度變化滯後，螺栓中部和嚙合第一圈螺紋根部的溫度逐漸上升並趨於穩定。在螺栓預緊和放鬆階段，螺栓最大等效應力處為嚙合第一圈螺紋且左右兩側應力分布對稱。由於螺栓結構的承載特點以及螺紋根部半徑較小，嚙合第一圈螺紋造成嚴重的應力集中現象。螺栓的溫度水平遠小於制動盤面，制動盤盤面受熱膨脹幅度大於其他部件。膨脹導致螺栓預緊力上升以及沿 X 軸的扭矩，從而使螺栓應力分布左右不對稱。左右兩側相差高大 230 MPa 並加劇了螺栓根部應力集中。螺栓根部應力集中為螺栓斷裂位置，產生的彎矩會使裂紋沿著一個方向擴展。
參考文獻（略）
第 1 章 緒論
1.1 選題背景與研究意義
高速鐵路具有載客量大、耗時少、能耗較低和安全性好等優勢。由於我國社會、科技和經濟的高速發展以及地大物博的地理特點，高鐵成為了必不可少的交通運輸方式。蘭新高速鐵路（以下簡稱蘭新線）是一條貫穿新疆維吾爾自治區烏魯木齊市和甘肅省蘭州市的高速鐵路，又與隴海和包蘭等鐵路緊密連接，形成重要的西部鐵路運輸網絡如圖1-1 所示。蘭新線全長 1775.7 km 共設有 22 個車站，是首條在高海拔地區修建的高速鐵路，其最高海拔為 3640ｍ。蘭新高速鐵路的修建拉近了新疆與其他省的距離，推動新疆及其沿線城市的經濟發展。
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1.2 國內外研究現狀
1.2.1 制動盤溫度-應力分析
螺栓屬於制動盤的連接件，其斷裂和制動盤的工作情況密切相關。因此，需要首先研究制動盤的工作狀態對螺栓的影響。近年來，制動盤的溫度和應力一直是分析制動性能的主要研究內容。通過 1:1 或縮小比例試驗台進行制動試驗，再結合有限元法和數值模型分析得到仿真結果。最後對比、調整係數得到制動盤在制動過程中溫度和應力變化。在此研究基礎上，部分學者以溫度和應力為基礎，研究制動盤和閘片磨損，結構優化和流場分布等內容。
在理論研究方面，A.A. Yevtushenko 等[1]以盤式制動為研究對象，在固定的制動盤上施加任意形狀的移動熱源模擬瞬態溫度場。考慮制動盤和閘片的熱分配係數，將數值模型和仿真模型的溫度分布與實驗數據進行比較。結果表明在多次制動過程中，制動部件摩擦表面上的平均溫度高於制動盤的整體溫度。J.G. Bauzin 等[2]基於分塊化閘片摩擦表面形狀特徵提出熱源分析模型，使用傅立葉和漢克爾積分變換解析動車組制動盤中溫度分布。在解析模型中引入補償項模擬制動時制動盤上出現的熱斑。可計算不同旋轉速度下，斑點數量、大小以及物理屬性值對制動盤的溫度分布的影響。王國順[3]採用熱-力耦合法研究接觸壓力對制動盤溫度場形狀變化規律，並進行了實驗驗證。根據摩擦半徑等參數提出形狀因子描述摩擦塊位置變化程度，且形狀因子越小制動盤溫度越低。採用模態分析法研究了非約束和約束對制動盤和閘片對固有頻率的影響規律，為制動器減振降噪提供依據。
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第 2 章 制動盤螺栓斷裂實驗檢驗分析
2.1 螺栓斷口宏觀形貌分析
裂紋萌生的位置為疲勞裂紋的裂紋源，容易出現在應力集中區域或材料缺陷處。部件在結構上存在台階、圓角和孔等，在材料上存在缺陷和夾雜等會造成應力集中的情況。裂紋萌生後，在循環載荷的作用下，裂紋不斷開合進一步擴展，在斷裂表面形成的痕跡稱為疲勞條紋。裂紋擴展時疲勞條紋較為平整，且有“海灘條帶”的形貌特點。當剩餘連接部分的強度不足以承受外載荷時，部件就會發生斷裂。因此，金屬疲勞斷裂的斷口一般被分為裂紋源、裂紋擴展區和斷裂區三個部分。
螺栓斷裂位置為螺母和螺栓嚙合第一圈處，如圖 2-1 所示。使用掃描電鏡對螺栓斷面進行了微觀形貌分析。圖 2-2 為螺栓斷口低倍形貌，斷口附近無明顯塑性變形，並可清晰地觀察到疲勞源區、裂紋擴展區和瞬時斷裂區三個區域。螺栓斷口的裂紋源位於螺栓根部圓角處，為應力集中區域。斷口呈現出單裂紋源特徵，裂紋從螺紋表面沿徑向擴展。整個疲勞擴展區域光滑，可見清晰的疲勞條紋。疲勞擴展區占據斷口的小部分區域（占比約 40%）。隨著裂紋的不斷擴展，螺栓截面上應力增加，當應力超過斷裂強度則發生斷裂，形成瞬時斷裂區。在瞬斷區高倍形貌（圖 2-2）可以看出存在微小發紋和孔洞，為韌窩形貌。結果說明疲勞載荷和一定的過載導致螺栓斷裂。
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2.2 剖面金相組織分析
沿著螺栓軸線方向切取螺栓斷口剖面試樣，金相分析前用 4％硝酸酒精浸蝕。在螺紋根部處未觀察到粗大夾雜物和異常組織；對螺栓的螺紋面和圓角進行金相觀察，螺紋牙型完整，所有螺紋根部均沒有出現全脫碳層和摺疊缺陷。圖 2-4 為螺栓芯部金相組織照片，為正常的回火馬氏體組織。
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第 3 章 動車組制動盤螺栓熱-力耦合性能研究 ............................... 13
3.1 制動盤熱分析理論基礎 ................................... 13
3.1.1 熱傳導微分方程 ............................... 13
3.1.2 初始和邊界條件 ............................... 13
第 4 章 持續制動對制動盤螺栓性能影響 ........................... 27
4.1 蘭新高速鐵路線路工況 ..................................... 27
4.2 制動盤螺栓載荷分析 ................................. 29
4.3 制動盤螺栓有限元分析結果 ......................... 30
第 5 章 制動盤螺栓多軸疲勞壽命預測 ........................ 38
5.1 多軸疲勞破壞準則 ...................................... 38
5.2 臨界平面法 ........................................ 39
5.3 制動盤螺栓連續損傷與疲勞壽命預測 ..................... 41
第 5 章 制動盤螺栓多軸疲勞壽命預測
5.1 多軸疲勞破壞準則
疲勞是指在某部件或某點上受到擾動應力，充分循環作用後在部件上造成局部裂紋或斷裂的永久結構變化的過程。航空、軌道、車輛、船舶和建築等工業領域都涉及疲勞強度問題。在機械零部件中（螺栓、曲軸、連杆焊接和壓力容器等）超過 70%為疲勞破環[50]。疲勞失效按照循環次數可以為高周疲勞和低周疲勞，循環次數低於 103~104以下屬於的低周疲勞。在部件發生低周疲勞時，部件受到的應力水平較高且材料出現了塑性變形。因此，利用應力-循環次數曲線評估壽命的分散性較高。疲勞按照受應力狀態可以分為單軸疲勞和多軸疲勞，不同的疲勞類型對應不同的疲勞準則。Manson-Coffin[51-53]對單軸低周疲勞進行了大量的研究，以總應變幅為損傷參量研究應變和壽命之間的關係。但在實際應用中，部件的疲勞失效大多是受到多個方向的循環載荷作用。在多軸疲勞研究的初始階段，疲勞準則大多基於靜強度理論（Von Mises 等效應力、最大拉應力和 Tresca 最大切應力準則）。但這類準則在非比例情況下疲勞預測不太準確。能量法隨著 Morrow[54]塑性功理論的發展逐漸在多軸疲勞領域廣泛應用。她認為循環塑性變形及塑性應變能決定材料的多軸疲勞損傷。根據循環塑性預估疲勞壽命不能表達出裂紋萌生和擴展的方向。
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第 6 章 結論與展望
6.1 結論
本文根據蘭新線的實際線路情況，根據速度與海拔變化計算制動盤在持續制動情況下的熱流密度。對蘭新線列車制動盤斷裂螺栓進行理化性能試驗，觀察斷面形貌和金相組織形貌，判斷螺栓根部材料是否存在缺陷。利用螺紋結構特點和數學表達式建立考慮螺紋的有限元模型，研究緊急制動和持續制動過程中制動盤和螺栓的溫度場和應力場分布。採用臨介面法結合 SWT 疲勞準則分析螺栓裂紋萌生和擴展疲勞壽命。本文創新點和主要結論如下：
(1) 螺栓理化性能試驗分析結果滿足相關技術要求。斷口宏觀形貌發現裂紋源沒有材料缺陷，且具有典型的疲勞斷裂特徵。螺栓斷面疲勞擴展區域較小，表明螺栓在服役過程中承受一定過載導致螺栓發生低周疲勞斷裂。螺栓的斷裂可能與其安裝預緊力和實際線路條件等有關。
(2) 由於制動盤結構和材料熱性能的差異，在緊急制動過程中制動盤和螺栓的溫度分布不均勻。制動盤盤面最高溫度先增大後減少，制動結束後溫度逐漸降低。由於螺栓在制動過程中溫度緩慢升高後緩慢減小，螺栓的應力在整個制動過程中逐漸增高。且隨著制動初速度的增高，制動盤面和螺栓最高溫度和應力增加。
(3) 在坡道制動過程中，靠近制動盤的螺栓中部溫度最高且向四周擴散。相比制動盤面的溫度變化，螺栓溫度變化滯後，螺栓中部和嚙合第一圈螺紋根部的溫度逐漸上升並趨於穩定。在螺栓預緊和放鬆階段，螺栓最大等效應力處為嚙合第一圈螺紋且左右兩側應力分布對稱。由於螺栓結構的承載特點以及螺紋根部半徑較小，嚙合第一圈螺紋造成嚴重的應力集中現象。螺栓的溫度水平遠小於制動盤面，制動盤盤面受熱膨脹幅度大於其他部件。膨脹導致螺栓預緊力上升以及沿 X 軸的扭矩，從而使螺栓應力分布左右不對稱。左右兩側相差高大 230 MPa 並加劇了螺栓根部應力集中。螺栓根部應力集中為螺栓斷裂位置，產生的彎矩會使裂紋沿著一個方向擴展。
參考文獻（略）
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