制动盘工作的可靠性是影响列车行车安全的主要因素之一。从国内外运用的经验来看,制动盘的失效方式主要是热疲劳引起的热裂纹损伤。因此,研究制动过程中制动盘温度场和应力场分布以及缺陷对制动盘热疲劳的影响对预防热裂纹的产生、选择和设计制动盘材料具有重要的理论与工程价值。本文以某列车制动盘为研究对象,采用有限元软件ANSYS系统地对紧急制动过程中制动盘温度场和应力场进行了研究,并探讨了缺陷对制动盘温度场和应力场的影响。本论文主要工作包括:(1)讨论了温度场分析时热载荷和边界条件的确定。提出了基于摩擦功率法和摩擦副周向接触长度确定制动盘摩擦面上摩擦生热热流密度的新方法。采用热辐射系数折算成对流换热系数的方法,简化了热分析边界条件。(2)依据列车制动盘的结构特点,建立了制动盘三维循环对称有限元模型。采用摩擦功率法和传统的能量折算法两种确定摩擦面上热流密度的方法模拟了制动盘紧急制动过程中温度场的分布情况,并对两种仿真结果进行对比分析。与传统的能量折算法相比,提出的基于摩擦功率法确定热流密度的方法能体现摩擦界面上径向温度分布的差异。(3)采用热-结构顺序耦合的方法分析了紧急制动过程中制动盘应力场的分布情况。结果表明,在热应力和离心力共同作用下,制动盘表面应力变化趋势为拉-压-拉的特性,周向应力是引起制动盘摩擦面裂纹萌生的主要应力分量。(4)建立了含内部缩孔缺陷和表面裂纹缺陷的制动盘有限元分析模型,运用局部细分网格法和子模型技术进行了含缺陷模型温度场和应力场的数值模拟。结果表明,内部缩孔缺陷会引起缺陷正上方局部高温和高应力,在缺陷处可能引发裂纹并扩展至表面。表面裂纹缺陷对制动盘温度场的影响很小,裂纹尖端在热载荷作用下形成较大的拉应力。(5)采用摩擦接触生热模型建立了制动盘和制动闸片热-结构直接耦合的有限元分析模型,采用双向位移法控制闸片旋转以模拟制动盘和制动闸片相对滑动,初步实现了热-结构相互耦合的数值模拟。结果表明,旋转移动摩擦热源形成的热冲击会引起制动盘温度场和应力场的波动。制动过程中温度场、应力场是相互耦合的,不考虑热-机耦合效应会造成热分析的误差。