汽车通风盘式制动器工作时,摩擦副产生的热量将导致通风盘产生热应力和不均匀的温度场,并伴随热传导、热辐射等物理现象。同时,由于通风盘具有通风槽结构,盘体表面与空气流场之间存在明显的强制对流换热现象,整个过程为典型的流固热多物理场耦合过程。然而,目前主流的热机耦合和流固耦合研究方案均为基于两相物理场的耦合计算,与实际的边界条件有一定的偏差。为此,本文针对通风盘表面的对流换热系数在不同空气流动状态及换热结构条件下的变化,综合运用理论解析、数值模拟以及台架试验等手段研究制动器的摩擦热力学特性,实现制动过程的完全流固热耦合计算,并提出合理的结构优化方案,增强通风盘的换热能力。根据盘式制动器的结构特点和工作原理,确定了摩擦副的工况载荷。采用摩擦微凸理论分析了通风盘与刹车片之间的实际接触面积与制动压力的关系以及弹塑性接触状态的转换条件。根据胡克定律推导出通风盘的二维温度-位移耦合方程,并给出定解条件。考虑通风盘导热系数和比热随温度变化因素,通过线性拟合得出过余温度与导热系数的函数关系,分别在不同换热系数和肋片厚度条件下求解出肋高方向过余温度的稳态分布特性;为研究通风盘肋片的散热特性,采用显示差分方法,得出肋厚方向的瞬态导热数值解。通过分离变量法解出通风盘的一维瞬态传热分析解,采用乘积解法推广至多维传热计算。针对边界层内的空气流动和换热特点,对耦合面的流体控制方程(动量方程和能量守恒方程)进行了简化,得出局部对流换热系数的求解方法。考虑盘体转动因素,采用局部努塞尔数和平均努塞尔数表达出通风盘的不同结构(端面和肋片)在层流和湍流条件下的动态(径向方向变化)换热特性。根据汽车的长下坡匀速制动条件构建通风盘的二维传热数学模型,通过不同工况下的局部努塞尔数确定微分方程的散热边界条件,相比于经验法更符合实际情况;基于MATLAB中的PDE模块,针对不同制动压力和速度,求解该定解条件下的瞬态传热方程,得出通风盘的二维瞬态温度场特性。基于Link3900 NVH测试台,采用台架试验法模拟出制动器的流固热耦合过程,完成制动压力、摩擦系数、主轴转速以及温度等参数的测试与评价。引入摩擦稳定系数概念,分别在不同制动速度、制动压力和温度条件下分析摩擦副的平均摩擦系数和摩擦稳定系数的变化,结果可以看出,仅通过增大制动压力的方式来提升制动效果是不可靠的。在单试验周期内,通过温度传感器(高精度微细铠装热电偶)得出不同制动压力和制动速度条件下的温度变化,可有效地实现瞬态温度场数值模拟结果的验证。通过MPCCI数据交换平台实现ABAQUS(固体模型,热固耦合)与FLUENT(流体模型,流固耦合)求解器的同步迭代和数据共享,综合运用紧耦合和松耦合算法实现了制动器的流固热完全耦合计算。在流体模型前处理中,采用滑移网格技术来处理动区域,湍流模型选择RNG k-ε模型,近壁处理选用非平衡壁面函数,并保证第一层网格节点的y+值在30～60附近。耦合计算中,定义固体模型与流体模型的边界条件和物理参数与试验值一致,结果表明,对应节点温度的仿真值与试验值表现出良好的匹配性,各个温度峰值的平均偏差为4.2%,数值模拟方案具有良好的准确性和可行性。针对通风盘端面和肋片的结构特点,设置不同方向的节点路径,得出耦合面在不同路径下的温度、应力以及对流换热系数的变化特性。基于ANSYS/Workbench建立通风盘式制动器的参数化有限元模型,完成瞬态传热分析,其散热边界条件由局部对流换热系数表达。采用中心组合设计方法,将优化变量(通风盘总厚度、通风槽高度、肋片侧面夹角和肋片数量)和优化目标(盘体质量和温度峰值)构造出决策空间中145个参数样本试验设计点,通过多元二次回归模型将设计点拟合出响应面函数,采用拟合判定系数、修正判定系数和均方根差等参数校验拟合精度,均满足近似模型精度要求。构建优化数学模型,将通风盘的多目标优化转化为单目标优化问题,采用序列二次规划算法搜索出目标函数的pareto最优解集。采用加权归一方法(min-max标准化),对不同质量范围内的pareto最优解集进行优化目标评价,使多目标决策合并成单一目标决策,可满足不同类型机车对制动器性价比的要求。