基于ABAQUS的不同材料汽车刹车盘热膨胀与应力分析
作者：房子涵
摘要：汽车刹车盘作为盘式制动系统的核心部件，其在制动过程中将动能转化为热能，瞬时高温及不均匀的温度分布容易导致热应力集中和热变形，从而引发翘曲、裂纹及疲劳失效，严重影响制动安全与寿命。随着汽车轻量化与高性能需求的提升，刹车盘材料选择已成为决定其热力学性能与可靠性的关键因素。本文基于ABAQUS有限元分析平台，建立了统一几何与边界条件的刹车盘三维模型，选取C/SiC复合材料、TiAl基复合材料和FC200灰铸铁三种典型材料，模拟其在25℃均匀升温至300℃过程中的热应力分布与热膨胀特性。结果表明，各材料的热应力集中均发生在螺栓孔周围，而盘面应力相对较小；变形规律表现为盘面由中心向外逐渐增大，螺栓孔处受约束影响位移最小。三种材料在性能上存在显著差异：C/SiC复合材料因低热膨胀系数与高弹性模量展现出最优的抗热变形与抗热应力能力；TiAl基复合材料具有轻质和高温强度优势，但因热膨胀系数较大而产生明显变形；FC200灰铸铁虽然在工艺性与成本方面具备优势，但热应力集中程度较高，存在潜在的裂纹风险。研究表明，材料热物性参数对刹车盘热力学响应具有决定性作用，本研究为刹车盘材料选型与结构优化提供了参考依据。
关键词：ABAQUS；刹车盘；热应力；热膨胀
1绪论
1.1研究背景
刹车盘作为汽车盘式制动系统的关键构件，其主要功能在于通过摩擦将车辆的机械动能快速转化为热能，并通过传导、对流和辐射等方式向外界介质散失。然而，在频繁或强制动工况下，盘体表面会形成剧烈的瞬态温度场，且温度分布往往不均匀。这种热不均导致局部热膨胀与应力集中，进而引发一系列失效模式，包括盘体翘曲、热裂纹萌生、残余应力积累以及热疲劳破坏，严重时甚至危及整车制动安全。
随着新能源汽车、赛车及改装车辆等高性能应用的普及，刹车盘在更高热输入、更快散热以及更长寿命的多重要求下，其性能表现日益受到关注。不同材料在导热率、比热容、线膨胀系数、弹性模量等热-力学参数上的差异，直接决定在相同温度升高条件下刹车盘的应力响应与变形行为。例如，铝基材料虽然密度低，利于轻量化，但在高温下可能存在强度不足的问题；而碳基/陶瓷基复合材料虽然耐高温、抗热疲劳性能优越，却存在成本高、工艺复杂的限制。因此，在统一几何和工况条件下系统比较不同材料的热应力分布和热变形特征，对于揭示材料参数与刹车盘热响应之间的内在规律、指导工程材料选择具有重要意义。
1.2研究现状
近年来，学术界和工程界对刹车盘的研究主要集中在材料开发与改性、热力耦合仿真分析、模态与动力学耦合研究以及工程应用验证四个方面。
在材料研究方面，铝基材料因其轻量化优势成为研究重点。研究者通过表面涂层或钢面复合等工艺显著提高其耐磨性与高温性能，使其在保证轻量化的同时具备一定的稳定性，部分成果已实现产业化应用。蠕墨铸铁则因兼具较高导热性与力学强度，仍是常见的主流材料，相关研究重点在于其基体组织对摩擦磨损行为和热疲劳寿命的影响。此外，碳/碳复合材料和C/SiC复合材料因在高温环境下表现出优异的比强度和耐热稳定性，已逐渐在航空航天及高端车辆领域展开应用探索。这些研究为刹车盘材料体系的多样化与高性能化提供了重要参考，但大多集中于单一材料体系，缺少在相同工况下的直接对比。
在热力耦合仿真研究方面，ABAQUS等有限元平台被广泛应用于刹车盘的温度场与应力场模拟。相关研究普遍认为，盘面温度与制动压力正相关，与换热系数负相关，不同冷却方式（风冷或水冷）对热衰减速率与应力释放有显著影响。对复合材料的模拟进一步揭示出其各向异性热导率和较低塑性极限，容易导致更大的温度梯度和局部应力集中，从而在循环制动中加速失效过程。然而，这些模拟研究往往针对特定材料展开，输入条件和边界设置差异较大，难以进行跨材料的横向比较。
在模态与动力学耦合分析方面，已有研究表明温度场的变化会显著改变刹车系统的固有频率和振动响应，不同材料体系在热场耦合下表现出差异化的模态特征，这直接关系到制动过程中是否会出现共振或噪声问题。同时，几何结构细节（如通风槽布置、风道厚度、螺栓孔与配合孔等）被证实是引起局部温度梯度和应力集中的重要因素，决定了裂纹的萌生位置和翘曲的发生概率。这些结果进一步说明，材料特性与结构细节共同决定了刹车盘的热力学表现。
2研究方法
本研究基于上述背景与现状，采用ABAQUS平台构建工程化的刹车盘模型，针对三种具有代表性的材料（蠕墨铸铁、铝基材料与碳基/陶瓷基复合材料）在同一几何与工况下进行系统性比较，以期揭示材料热物性（导热率、比热、线膨胀系数、弹性模量等）对热膨胀位移与热应力分布的影响规律，从而为材料选型、结构设计与散热策略提供定量化的工程参考。本研究在理论上有助于补充不同材料在统一热输入下热力响应的横向认识，在方法上可形成可复现的仿真流程与评价体系，并在工程上为实现轻量化与热稳定性之间的平衡提供实践依据。
3汽车刹车盘有限元模型建立
3.1单位制选择
在本研究中，有限元分析软件ABAQUS的单位制选择为SI（mm）制，如表1所示，所有几何尺寸、材料参数及载荷边界条件均采用一致的单位体系，以保证计算结果的准确性和可比性。
表1 ABAQUS单位制
3.2建模
几何建模方面，依据常见乘用车前制动盘的实际结构尺寸建立了简化的三维模型。模型的外径为300mm，厚度为22mm，摩擦环的内径为160mm，中心配合孔直径为64mm。在节圆直径为112mm 的位置设置五个螺栓孔，每个孔直径为14mm，对应M12螺栓的安装要求。模型在保留关键结构特征的同时省略了部分细节，以减少网格数量，从而提高计算效率。
图2 刹车盘模型
3.3材料
3.3.1C/SiC复合材料
C/SiC复合材料是一类以碳纤维为增强体、碳化硅为基体的高性能复合材料，其具有密度低、强度高、耐高温和耐热冲击等优良特性，在航空航天和赛车制动系统中得到了广泛应用。由于碳纤维在不同方向上具有各异的力学和热学性能，该类材料通常表现为各向异性。参考黄频波等的实验研究，其热物性和力学参数已得到系统测定，见表2。在本研究中，为降低有限元计算的复杂性并保证仿真收敛性，采用等效各向同性的简化处理。具体而言，将该材料的弹性模量设定为1500 GPa，线性膨胀系数为3.0×10-6 K-1，泊松比取0.26，导热率设定为32W·m-1·K-1。
表2 C/SiC复合材料材料参数
3.3.2TiAl基复合材料
TiAl基复合材料是一种轻质金属间化合物复合材料，兼具高比强度、优良的耐热性和抗蠕变性能。与传统的钢铁材料相比，TiAl基材料在高温条件下能保持较高的力学性能，因此在汽车、航空发动机等需要轻量化与高温承载的场合逐渐受到重视。该类材料的微观结构较为复杂，通常由TiAl金属间化合物基体和增强相共同构成，表现出良好的抗氧化性能和较低的热膨胀系数。参考吴雅玉的研究成果，见表3，本研究将其作为各向同性材料处理，直接采用文献中提供的参数，并在有限元仿真中赋予相应的力学与热学特性。
表3 TiAl复合材料材料参数
3.3.3FC200灰铸铁
FC200灰铸铁是一种在汽车工业中应用最为广泛的传统刹车盘材料，其特点是铸造工艺成熟、成本低廉，同时具有良好的导热性和一定的抗热疲劳性能。该材料在升温过程中能够较快地将摩擦热向外传导，从而在一定程度上降低局部温度集中。然而，由于其脆性较大，抗裂纹扩展能力有限，在经历多次热循环后易出现热疲劳裂纹。参考TORU TSUDA等的实验数据，见表4，本研究采用各向同性的力学与热学参数设置。具体而言，其导热率取50 W·m-1·K-1，线性膨胀系数设为1.1×10-5 K-1，比热容为480J/Kg·℃。
表4 FC200灰铸铁材料参数
3.4分析步
在分析步的设置中，建立温度—位移耦合分析步，时间长度设为1。由于本研究并不关注刹车盘在升温过程中热应力与变形的瞬态演化，而主要研究稳态结果，因此分析类型选择为稳态响应。
图3 创建分析步
为提高计算的收敛性，初始增量步长设置为1×10⁻⁵，最小增量为1×10⁻⁹，最大增量步数为10000。
图4 分析步增量设置
在场输出请求中选择应力分量和应力不变量，以便对不同材料的刹车盘在受热过程中的应力分布与大小进行对比分析。
图5场输出设置
3.5载荷
首先在模型物理常数中将绝对零度设置为-273.15，使得后续计算中的温度单位与摄氏度保持一致。
图6 物理常数设置
载荷与边界条件方面，对五个螺栓孔施加三向完全约束，以模拟刹车盘通过螺栓固定在轮毂上的实际工况。
图7 位移边界条件设置
热载荷的施加方式为整体均匀升温，将刹车盘从初始温度25 ℃加热至300 ℃，以模拟高温制动过程中的受热情况。
图8 温度边界条件设置
设置刹车盘的初始温度为室温25℃。
图9 设置初始温度
3.6网格划分
在网格划分过程中，为保证计算区域网格分布的均匀性，利用拆分面与几何分割功能将刹车盘沿对称性等分为五个部分，再对其进行网格划分，如图10所示。
图10 刹车盘分割
所选单元类型为C3D8T八结点热耦合六面体单元，该单元既包含三向位移自由度，又包含温度自由度，能够准确反映热-力耦合作用。全局单元尺寸控制为5 mm，划分后模型的整体网格均匀、质量较高，如图11所示，能在保证计算精度的同时兼顾计算效率。
图11 刹车盘网格划分
4仿真结果分析
4.1热应力分布
热应力仿真结果见表5。
表5 热应力分布
由表可知，不同材料的刹车盘在温度从25 ℃均匀升高至300 ℃的过程中，热应力分布规律总体相似，主要集中在螺栓孔周围，而盘面区域的应力水平相对较低。这一现象与建模阶段设置的边界条件密切相关：由于五个螺栓孔圆柱面被施加了全约束，局部结构无法自由膨胀，导致温度升高后在孔周区域产生显著的约束热应力；相比之下，盘面区域未设置位移约束，可通过自由膨胀来释放大部分热应力，因此其应力分布明显较低。
不同材料的最大热应力水平存在差异，其排序为：C/SiC复合材料< TiAl基复合材料< FC200灰铸铁。其原因在于三种材料的弹性模量和热膨胀系数不同。C/SiC复合材料的热膨胀系数最低，升温过程中的膨胀趋势最小，同时其弹性模量极高，使其在受限情况下仍能抑制局部应变发展，从而对应力集中表现出一定的缓解作用。TiAl基复合材料的热膨胀系数相对较高，但其弹性模量低于C/SiC，因而在约束区域表现出更大的热应变积累，导致较高的应力水平。FC200灰铸铁则因热膨胀系数较大且弹性模量中等，在孔周区域易形成严重的应力集中，其最大应力值在三种材料中最高。这与灰铸铁在工程应用中常出现热裂纹和热疲劳损伤的现象相吻合。
4.2热膨胀
在热膨胀分析中，三种材料的刹车盘均表现出类似的变形分布特征，即螺栓孔周围的位移最小，而盘面外缘的位移最大，整体呈现出由内向外逐渐增大的趋势。这主要是因为螺栓孔区域受到完全固定的边界条件约束，几乎没有膨胀自由度；而盘面外缘未受限，可以自由扩张，因此产生了最大的径向位移。
从膨胀程度的对比来看，三种材料的总体变形大小排序为：C/SiC复合材料< FC200灰铸铁< TiAl基复合材料。这一规律与其热膨胀系数和弹性模量密切相关。C/SiC复合材料的热膨胀系数最低，仅为3.0×10⁻⁶ K⁻¹，因而在相同温升下膨胀量最小，加之其极高的杨氏模量使其难以发生大位移，从而表现出最小的整体变形。FC200灰铸铁的热膨胀系数为1.1×10⁻⁵ K⁻¹，略高于C/SiC，因而其膨胀程度相对较大。TiAl基复合材料的热膨胀系数最高，达到1.3×10⁻⁵ K⁻¹左右，且其弹性模量较低，更易在升温过程中产生较大的膨胀位移，因此整体变形最为显著。
表6 热膨胀结果
综上所述，热应力分布与热膨胀变形均受到材料热物性参数和边界条件的共同影响。C/SiC复合材料凭借低膨胀系数和高刚度表现出最优的抗热应力与抗变形特性，TiAl基复合材料则因高热膨胀系数而表现出最大形变，而FC200灰铸铁虽在成本与工艺性方面具备优势，但其较大的热应力集中与中等膨胀特性可能在实际应用中引发热裂纹与疲劳失效。
5创新点分析
本研究的创新性主要体现在以下几个方面：
1)与以往研究多集中于单一材料体系不同，本研究在统一的几何模型与工况条件下，基于ABAQUS平台对三类典型刹车盘材料——C/SiC复合材料、TiAl基复合材料和FC200灰铸铁——进行了系统性的对比分析。通过剔除边界条件与加载方式差异的干扰，直接揭示材料热物性参数（导热率、比热容、热膨胀系数与弹性模量）对刹车盘热应力分布与热膨胀变形规律的内在影响，从而形成了一套可复现的横向评价方法。
2)研究不仅分析了热应力的分布特征，还结合材料热膨胀系数与弹性模量的匹配关系，对不同材料产生应力集中与形变程度的机理进行深入解释，使得仿真结果与实际工程失效现象（如灰铸铁的热裂纹、TiAl的过大膨胀、C/SiC的优异热稳定性）能够相互印证，提升仿真分析的工程指导意义。
3)研究通过建立均匀升温下的稳态热力学耦合仿真流程，提出一种能够在早期设计阶段快速筛选材料的数值化思路，为汽车刹车盘在轻量化与热稳定性之间的权衡提供了新的参考路径。
6总结与展望
本研究基于ABAQUS有限元分析软件，针对C/SiC复合材料、TiAl基复合材料和 FC200灰铸铁三种典型刹车盘材料，在统一的几何结构和热载荷工况下进行了热膨胀与热应力响应的系统对比分析。研究结果表明，不同材料在升温至300 ℃过程中虽均表现出应力集中在螺栓孔周围、盘面外缘变形最大的分布规律，但在应力幅值与形变程度上存在显著差异。C/SiC复合材料凭借最低的热膨胀系数和极高的弹性模量，表现出优异的抗热应力和抗变形能力，是高性能刹车盘的理想候选材料；TiAl基复合材料虽然具有轻量化优势，但因热膨胀系数较大而产生显著形变，需要在设计中采取额外的结构补偿或散热措施；FC200灰铸铁则在工艺成熟度与成本控制方面具有优势，但其较大的热应力集中与中等变形水平使其更容易出现热裂纹与疲劳损伤，这与其在工程应用中的常见失效模式相一致。
本研究的主要贡献在于建立了一个可复现的仿真流程，实现不同材料在相同条件下的横向对比，并通过应力与变形机理分析揭示材料参数对刹车盘热力响应的决定性作用。这不仅为刹车盘材料选型与结构优化提供了定量依据，也为轻量化与热稳定性之间的平衡提供了参考思路。
然而，本研究仍存在一定局限性。首先，模型中采用了简化处理，如将C/SiC等各向异性材料等效为各向同性，从而忽略了纤维取向对局部热导与应力分布的影响。其次，仿真工况设定为均匀升温的稳态条件，而实际制动过程中热输入具有瞬态和非均匀特征，摩擦生热与散热过程更为复杂。未来研究可在以下几个方向展开：一是引入各向异性材料本构模型，进一步揭示纤维增强复合材料的真实热力学响应规律；二是结合瞬态摩擦热输入与对流散热模型，模拟更接近实际制动过程的非稳态工况；三是通过实验测试验证有限元结果，建立数值与实测之间的对照体系；四是拓展研究对象至含通风槽、异形孔等复杂几何结构，探索材料参数与结构设计的耦合效应。
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