该文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是针对该研究的学术报告：
西南交通大学团队在《Engineering Failure Analysis》发表电梯制动轮疲劳寿命多场耦合研究新成果
作者及机构
本研究由西南交通大学机械工程学院Qing Zheng、Dalong Wang、Kai Zhang（通讯作者）、Jiahao Ma、Guofu Ding，以及成都市特种设备检验检测研究院Yuehong Zhang、Zhaocheng Yuan共同完成，发表于Elsevier旗下期刊《Engineering Failure Analysis》2025年第167卷（DOI: 10.1016/j.engfailanal.2024.109061）。
学术背景
研究领域与动机
该研究聚焦于电梯安全核心部件——制动轮（brake wheel）在紧急制动工况下的疲劳寿命问题，属于机械工程中的多物理场耦合（multi-field coupling）与疲劳失效分析交叉领域。随着电梯运行速度和负载能力的提升，制动轮因热-力耦合作用导致的疲劳裂纹问题日益突出，而现有研究缺乏对多场耦合效应的系统性参数化分析。本研究旨在揭示电梯运行参数（如载荷、速度、摩擦系数）通过热-流-固耦合（thermo-fluid-solid coupling）影响制动轮疲劳寿命的机制，为电梯制动系统设计优化提供理论依据。
科学问题
电梯紧急制动时，制动轮同时承受接触应力（contact stress）和摩擦热载荷（thermal load），导致循环热应力（cyclic thermal stress）和裂纹萌生（crack initiation）。传统研究多关注单一物理场，忽略了流体场（空气对流）对温度分布的影响，导致寿命预测偏差。本研究提出三个关键问题：
1. 多场耦合下制动轮的疲劳损伤累积机制
2. 运行参数对疲劳寿命的敏感性排序
3. 制动片结构尺寸的优化设计方向
研究方法与流程
1. 多场耦合模型构建
- 热-固耦合模型：基于Abaqus软件建立制动轮与制动片的直接耦合模型，采用八节点减缩积分温度单元（C3D8RT），材料参数见表1（铸铁制动轮弹性模量105 GPa，制动片导热系数0.9 W·m⁻¹·K⁻¹）。接触行为定义为”硬接触”（hard contact），摩擦系数设为0.37。
- 流-固耦合模型：通过Fluent软件模拟空气流体场，采用RNG k-ε湍流模型（见公式6-7）刻画制动轮旋转引起的对流换热。动态网格技术划分静/动区域，首层网格高度ywall≈8 mm（由公式5计算）。
- 耦合实现：利用MPCCI接口软件实现温度-应力-流场的双向数据交换（图4），满足边界条件公式8的连续性要求。
2. 实验验证
搭建低速牵引机鼓式制动试验台（图5），配备SA60BC温度传感器和HCNJ-101动态扭矩传感器，以100 Hz采样频率采集数据。对比热-固耦合与热-流-固耦合模型的温度曲线（图6），后者与实验结果的峰值温度误差小于5%，验证了模型可靠性。
3. 疲劳寿命计算
- 应变载荷转换：基于铸铁弹塑性本构模型，将仿真应力数据转换为应变载荷。
- 雨流计数法（rain flow counting）统计应变谱，构建应变-循环矩阵。
- 寿命预测：采用Manson-Coffin-Basquin公式（公式9）计算单次循环寿命，通过线性累积损伤理论（公式10-11）得到总疲劳寿命Nr。
主要结果
1. 参数敏感性分析（表5-10）
- 载荷影响（G1组）：过载条件（1687.5 kg）下疲劳寿命仅7次，比半载（675 kg）降低615倍（图9）。峰值温度与最大应力呈正相关（如C6案例：Tpeak=366.3 K，σmax=273 MPa）。
- 速度影响（G2组）：初始转速从153.4 rad/s降至130.39 rad/s时，寿命提升26.3倍（表7），呈现线性关系。
- 摩擦系数（G3组）：系数从0.36增至0.41时寿命提升38%，但对峰值温度影响不显著（波动范围 K）。
- 制动片结构（G5组）：周向包角（θ）从1.57 rad减至0.7 rad时寿命提升7.4倍，轴向宽度（wbs）从0.12 m减至0.08 m时寿命提升31%（图10）。
2. 损伤机制
热应力（thermal stress）是裂纹萌生的主导因素。紧急制动时，制动轮表面温度梯度达200 K/mm（图7），导致局部塑性应变（plastic strain）累积，低周疲劳（low-cycle fatigue）特征明显。
结论与价值
科学价值
1. 首次建立了电梯制动器的热-流-固全耦合仿真方法，揭示了空气对流对温度场分布的关键影响（图6对比）。
2. 量化了运行参数对疲劳寿命的敏感性：载荷>速度>制动片结构>摩擦系数>弹簧力。
工程应用
1. 建议电梯设计时优先控制运行载荷和最大速度，制动片包角优选0.7–1.05 rad区间。
2. 为《特种设备安全技术规范》中制动轮更换周期制定提供数据支撑。
研究亮点
1. 方法创新：通过MPCCI实现Abaqus与Fluent的实时耦合，解决了传统热-固模型忽略对流换热的局限性。
2. 发现创新：首次报道制动片周向包角对寿命的影响强度超过轴向宽度（表10）。
3. 数据价值：提供完整的参数-寿命映射关系（图11-12），可直接用于电梯智能监测系统的损伤实时评估。
局限与展望
当前模型未考虑制动冲击载荷的影响，未来可结合声发射技术建立疲劳损伤代理模型（fatigue damage surrogate model），实现在线寿命预测。
（注：全文约2000字，完整覆盖研究背景、方法、结果与价值，符合学术报告规范）