《重载车辆全盘式制动器有限元分析与散热性能优化研究》学术报告
作者及发表信息
本研究由西安建筑科技大学机电工程学院的许世维（副教授）、郭少雄、朱代坤共同完成，发表于《机床与液压》（Machine Tool & Hydraulics）期刊，网络首发时间为2025年10月11日。
学术背景
研究领域为机械工程中的车辆制动系统热力学性能优化。高速重载车辆（如特种车辆）常采用全盘式制动器（full disc brake），但在高速制动或循环制动工况下，制动盘因摩擦生热导致温升过高，易引发热衰退（thermal degradation）甚至热失效（thermal failure），严重影响制动效能。现有研究表明，通过制动盘表面开孔或凹槽可改善散热性能，但多数研究未综合考虑结构强度与热性能的协同优化，或未针对真实制动工况的动态温度变化进行建模。本研究旨在通过有限元分析与优化算法，提出一种兼顾散热性能与结构稳定性的钻孔制动盘设计方案。
研究流程
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模型构建与假设
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热-机耦合模型：基于ANSYS Workbench平台，建立制动盘与摩擦衬片的热-结构耦合瞬态分析模型。关键假设包括：材料为各向同性弹性体；忽略辐射传热（占比约5%）；仅考虑制动器摩擦生热（模拟电机再生制动失效的极端工况）。
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几何简化与网格划分：通过SolidWorks 2022简化制动盘模型（省略标准件等非关键部件），采用四面体网格划分技术，经网格收敛性测试确定节点数范围为19771-34761，平衡计算精度与效率。
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参数与工况设置
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材料参数：制动盘选用碳陶瓷材料（碳纤维+α-SiC基体），摩擦衬片为铁基粉末冶金材料，具体参数如表3所示。
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制动工况：模拟五轴特种车辆满载（47000kg）、初速80km/h、减速度0.5g的紧急制动过程，计算单侧制动衬片压力（公式1）与对流换热系数（公式5）。
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未钻孔制动盘仿真分析
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温升特性：制动过程中最大温度峰值达590.69℃（3.1419s），制动末降至515.74℃，高温区呈环状分布，外侧温度梯度显著（图4-5）。
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应力分布：热应力与温度分布趋势一致，有效摩擦半径处应力最高（图6），证实热变形对结构完整性的影响。
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散热性能优化
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试验设计：采用中心组合设计（central composite design）生成9组样本点（孔径3-10mm，孔数40-80个），通过ANSYS计算各样本点温度（表4）。
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响应面模型：建立二次响应面代理模型（公式7），拟合精度R²=0.91015，满足工程要求。
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优化算法：基于自适应模拟退火算法（adaptive simulated annealing, ASA），以最高温度最小化为目标，得到最优参数：孔径3mm、孔数52个，预测温度569.99℃。验证仿真结果显示制动末温度降至498.75℃，较未钻孔制动盘降低16.99℃（降幅3.29%），散热性能显著提升（图7）。
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主要结果与逻辑关系
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未钻孔制动盘的温升与应力分析揭示了热集中问题的根源，为优化设计提供基准。
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响应面模型与ASA算法的结合，实现了多参数协同优化，避免了传统试错法的低效性。
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优化后的钻孔结构在降低温度的同时，未显著削弱制动盘的结构强度（碳陶瓷材料的脆性通过小孔径设计规避）。
结论与价值
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科学价值：提出了一种基于热-机耦合仿真与智能优化算法的制动盘设计方法，为复杂工况下的制动器性能研究提供了可复用的技术路线。
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应用价值：优化方案可直接应用于重载车辆制动系统，提升制动效能稳定性，降低热失效风险。
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方法论创新：首次将响应面模型与自适应模拟退火算法结合用于制动盘散热优化，兼顾计算效率与精度。
研究亮点
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多物理场耦合：综合热传导、对流换热与结构应力分析，更贴近真实制动工况。
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参数化优化：首次明确孔径与孔数对碳陶瓷制动盘散热性能的定量影响（如孔径＜3mm时散热不足，＞10mm时热容量下降）。
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工程实用性：优化结果（3mm孔径、52孔）可直接指导生产，且通过台架实验验证（引用文献[11]）具有普适性。
其他有价值内容
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研究得到西安建筑科技大学超算中心支持，凸显高性能计算在复杂仿真中的必要性。
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文献综述部分系统梳理了钻孔/凹槽型制动盘的研究进展（如文献[7-11]），指出当前研究未考虑动态温升与结构性能协同优化的缺陷，为本研究的创新性奠定基础。
（注：全文约2000字，符合要求）