仿生非光滑结构制动盘的设计及其热机械与摩擦性能研究

为解决高速轻载车辆制动盘因温升过快导致热疲劳裂纹的问题，研究人员开展了仿生非光滑结构制动盘的设计与性能研究。通过模拟与实验发现，直槽结构制动盘在120/160/200 km/h初速下摩擦温度降低27.16%~36.25%，等效应力虽增加但低于材料屈服强度。实验表明仿生制动盘摩擦系数略降（0.32–0.48）而摩擦温度显著降低（41.7°C–77.9°C），其中直槽结合进气口设计因散热能力优异表现最佳。该研究为高速轻载车辆制动盘提供了创新设计思路。

　　

在高速轻载车辆的制动过程中，制动盘温度急剧上升导致热疲劳裂纹的产生，严重影响行车安全与制动系统寿命。这一工程难题长期困扰着车辆制造领域，传统光滑制动盘因散热效率有限，在高温高压工况下易出现性能衰减和结构损伤。针对这一问题，河北科技大学机械工程学院的Lixin Wang、Xinyu Jiang、Shiming Lan、Shixing Yan和Shiyun Dong等研究人员受生物非光滑表面结构启发，创新性地设计了仿生制动盘，并通过系统性研究验证其热机械与摩擦性能的改善效果。相关成果发表于《Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials》，为高速车辆制动系统提供了新的设计方向。

研究主要采用了计算流体力学仿真与实验验证相结合的技术方法。通过构建仿生非光滑结构（如直槽和进气口）的三维模型，进行热-应力耦合仿真分析；利用台架试验模拟不同初速（120/160/200 km/h）制动工况，测量摩擦温度、等效应力和摩擦系数等关键参数；对比光滑制动盘与仿生结构的性能差异，并分析散热机制与应力分布特性。样本来源于工程化制备的制动盘试件，未涉及生物样本队列。

研究结果

仿生制动盘的设计与仿真分析

通过在建模仿真中引入直槽结构，研究人员发现该设计能显著提升气流交换效率，促进热量耗散。在120 km/h、160 km/h和200 km/h初速下，直槽制动盘的摩擦温度分别降低27.16%、36.25%和31.20%，但等效应力同比增加61.64%、46.92%和71.58%，均低于材料屈服强度极限，表明结构安全性未受 compromise。

实验性能验证

台架试验结果显示，仿生制动盘的摩擦系数范围为0.32–0.48，略低于光滑制动盘的0.56；摩擦温度显著降低，仅为41.7°C–77.9°C，而对照组高达96.7°C。直槽结合进气口的复合结构表现最优，因其增大了散热表面积并优化了空气动力学特性。

热机械性能机制分析

通过热成像与应力分布图谱，研究证实仿生结构通过增强对流换热和减少局部热集聚，有效抑制了温度峰值；同时，应力增加集中于槽口边缘，但未引发塑性变形，符合高强度材料的力学特性。

结论与讨论

本研究证实仿生非光滑结构能显著改善制动盘的热机械性能与摩擦特性，直槽与进气口设计在散热方面具有协同增强效应。该设计不仅解决了高温导致的热疲劳裂纹问题，还为高速轻载车辆制动系统提供了轻量化、高可靠性的解决方案。未来研究可进一步优化结构参数并拓展至多材料复合制动盘领域，推动车辆工程与仿生设计的深度融合。