(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111414066.1 (22)申请日 2021.11.25 (71)申请人 西南交通大 学 地址 610000 四川省成 都市二环路北一段 (72)发明人 卢纯　尹家宝　张庆贺　莫继良　 (74)专利代理 机构 成都环泰专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 51242 代理人 李辉　李斌 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种高速列车制动系统热机耦合摩擦学行 为预测方法 (57)摘要 本发明涉及一种高速列车制动系统热机耦 合摩擦学行为预测方法， 包括： S1、 进行正式服役 阶段的制动系统热机耦合响应状态分析， 计算制 动系统的热机耦合响应； S2、 对正式服役阶段的 热机耦合摩擦磨损行为进行预测， 并实时更新有 限元模型， 当达到截止条件时记录并保存所有结 果； S3、 对几何形貌变化的有限元模型进行振动 噪声行为预测。 本发明充分考虑温度对材料摩擦 磨损性能的影 响， 弥补了 现有预测方法在进行磨 损预测时忽略温度影响的缺陷， 同时考虑了摩擦 表面形貌变化对摩擦振动噪声的影 响， 提高了制 动系统热机耦合摩擦学行为预测结果的准确性 和有效性， 为制动系统关键零部件的服役状态及 使用寿命预测提供了有效手段， 降低了高速列车 的运维成本。 权利要求书2页 说明书8页 附图7页 CN 114357819 A 2022.04.15 CN 114357819 A 1.一种高速列车制动系统热机耦合摩擦学行为预测方法， 其特征在于： 所述预测方法 包括： S1、 获取磨合阶段完成后的接触压力分布， 在参考接触压力分布和非均匀热流密度的 前提下， 进行正式服役阶段的制动系统热机耦合响应状态分析， 计算制动系统的热机耦合 响应； S2、 读取某段中间时刻的响应状态作为有限元模型的初始状态， 对正式服役阶段的热 机耦合摩擦磨损行为进行预测， 并实时更新有限元模型， 当达到截止条件时记录并保存所 有结果； S3、 根据步骤S2的结果提取服役过程中某一磨损状态下的有限元结果并进一步更新有 限元模型， 对几何形貌变化的有限元模型进行振动加速度分析， 从而对制动系统的摩擦振 动噪声行为进行分析 预测。 2.根据权利要求1所述的一种高速列车制动系统热机耦合摩擦学行为预测方法， 其特 征在于： 所述 步骤S1具体包括以下内容： S11、 将制动盘接触区域划分为 Nh个接触环带； S12、 计算第j个接触环带的平均摩擦半径Rj和面积Sj； S13、 读取正式服役阶段开始时的接触 应力场Ps， 计算第j个接触环带的接触压力Fj； S14、 基于摩擦功率法， 计算第j个接触环带的热流密度Qj； S15、 基于盘块热流分配系数， 将摩擦热流按比例施加在制动盘与摩擦块表面； S16、 根据温度位移分析程序完成正式服役阶段的热机耦合响应状态求解， 记录并保存 每个增量步的热机耦合响应 状态结果。 3.根据权利要求1所述的一种高速列车制动系统热机耦合摩擦学行为预测方法， 其特 征在于： 所述 步骤S2具体包括以下内容： S21、 读取热机耦合响应状态结果， 将正式服役阶段等分为L段， 取第k段中间时刻的响 应状态作为有限元模型的初始状态， 计算器k的取值 为1到L； S22、 建立制动盘和摩擦块接触对， 并进行短时间的热机耦合摩擦磨损行为计算； S23、 更新计算器k＝k+1， 如果k<L， 则读取步骤S1求解的热机耦合响应状态结果， 并再 次提取下一段中间时刻的响应 状态作为有限元模型的初始状态； S24、 重复步骤S22和S23， 直至正式服役阶段的热机耦合摩擦磨损行为预测完成， 记录 并保存所有结果。 4.根据权利要求3所述的一种高速列车制动系统热机耦合摩擦学行为预测方法， 其特 征在于： 所述进行短时间的热机耦合摩擦磨损行为计算包括： A1、 将整段时间离散为T个增量步， 初始化增量步计数器y＝1， 根据温度位移分析程序 进行热机耦合摩擦磨损分析； A2、 读取有限元模型的节点 坐标、 节点温度、 接触 应力及相对滑 移距离； A3、 根据节点温度修正磨损系数并更新求解公式中的磨损系数， 计算节点磨损深度和 磨损方向； A4、 反馈节点的磨损深度和磨损方向， 根据任意拉格朗日 ‑欧拉技术移动节点并更新坐 标， 同时在保证网格拓扑 形式不变的前提下重绘网格， 生成新的有限元模型； A5、 判断增量 步计数器y的大小， 如果y<T， 则更新计数器y＝y+1， 生成新的有限元模型；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114357819 A 2A6、 重复步骤A2 ‑A5， 直至模拟结束， 记录并输出摩擦块磨损状态Wk， 生成新的有限元模 型。 5.根据权利要求1所述的一种高速列车制动系统热机耦合摩擦学行为预测方法， 其特 征在于： 所述 步骤S3具体包括以下内容： S31、 读取正式服役阶段的计算结果， 提取服役 过程中某一磨损状态下的有限元 结果Mx； S32、 将有限元结果Mx导入主程序生成新的有限元模型， 并根据实际工 况重新施加载荷， 设置相互作用关系和边界条件； S33、 启动模态分析程序， 基于子空间投影法对 几何形貌变化的有限元模型进行复特征 值分析， 或者利用隐式/显式动态分析程序对几何形貌变化的有限元模型进行振动加速度 分析， 从而对制动系统的摩擦振动噪声行为进行分析 预测。 6.根据权利要求1 ‑5任意一项所述的一种高速列 车制动系统热机耦合摩擦学行为预测 方法， 其特征在于： 所述预测方法还包括有限元模 型建立步骤和磨合阶段模拟 计算步骤； 所 述预测方法在第一次运行时所述有限元模型建立步骤和磨合 阶段模拟计算步骤执行于步 骤S1之前， 所述有限元模型建立步骤执行与所述磨合阶段模拟计算步骤之前； 在所述预测 方法第二次运行时以及之后运行不在执行所述有限元模型建立步骤和磨合 阶段模拟计算 步骤。 7.根据权利要求6所述的一种高速列车制动系统热机耦合摩擦学行为预测方法， 其特 征在于： 所述有限元模型建立 步骤包括： 根据制动系统设计需求， 通过有限元软件对原始或者改进后的制动系统建立有限元模 型； 根据实际情况为有限元模型赋予材料属性， 施加载荷并设置相互作用关系和边界条 件。 8.根据权利要求6所述的一种高速列车制动系统热机耦合摩擦学行为预测方法， 其特 征在于： 所述磨合阶段模拟计算 步骤包括： B1、 将磨合过程离 散为N个增量步， 初始化增量 步计数器i ＝1； B2、 开始第i个增量步的制动系统响应状态计算， 记录并保存接触应力场和接触节点相 对滑移距离； B3、 进行第i个增量步的磨损计算， 读取节点坐标和第i个增量步的节点接触应力及相 对滑移距离， 利用磨损求 解公式计算节点磨损深度， 设置磨损方向； B4、 向有限元主程序反馈接触节点的磨损深度和磨损方向， 根据任意拉格朗日 ‑欧拉技 术移动节点并更新坐标， 同时在保证网格拓扑形式不变的前提下重绘网格， 生成新的有限 元模型； B5、 更新计算器i＝i+1， 开始下一个增量步的制动系统响应状态计算， 记录并保存接触 应力和接触节点相对滑 移距离； B6、 判断接触应力场是否达到相对稳定状态， 如果没有达到， 则重 复步骤B3 ‑B5， 如果达 到， 则磨合阶段磨损计算完成， 记录并输出磨合结束后， 即正式服役阶段开始时的接触应力 场Ps和摩擦块磨损状态Ws。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114357819 A 3