盘式制动器具有制动可靠、结构简单、便于维修及散热快等诸多优点,被广泛应用于航空航天、高速列车、风力发电、大型工程机械等高速重载设备中。高速重载盘式制动过程是一个复杂的摩擦、热、振动多物理场耦合作用过程,在多个物理场复杂耦合作用下,制动盘作为盘式制动器的关键部件,在高速重载制动工况下存在严重的摩擦磨损、盘体及盘面热损伤、制动振动等突出问题,严重影响了盘式制动器的制动性能和高速重载设备运行的安全性。因此,进行基于摩擦-热-振动多物理场耦合高速重载制动机理研究,并在此基础上进行制动盘结构优化具有十分重要的意义。本文通过研究摩擦-热-振动多物理场耦合作用下高速重载制动机理,围绕高速重载制动工况对制动盘的性能需求,分别提出了针对制动盘内部结构与制动界面的优化方法,研制出了适合高速重载工况的高制动效能制动盘。主要研究内容和研究成果如下:(1)针对高速重载盘式制动工况需求,提出了摩擦-热-振动多物理场耦合分析方法。将盘式制动器多柔体动力学分析结果中的制动盘振动的相关数据作为输入,建立了基于摩擦-热-振动耦合的高速重载盘式制动多物理场耦合模型,并通过缩比惯性试验对模型进行了验证。研究制动盘在摩擦-热-振动多物理场耦合作用下的变形、温度、应力分布规律,揭示了摩擦-热-振动多物理场耦合作用下的高速重载制动机理。并基于高速重载制动工况对制动盘的性能需求,对制动盘进行了优化区域划分。(2)针对高速重载制动盘所承受移动载荷的特性,提出了基于等效移动载荷的结构拓扑优化方法。以耦合作用下静力柔度最小化、动态频率最大化为优化目标,建立了基于移动载荷的制动盘内部结构拓扑优化模型,分析了制动闸片安装对数对制动盘内部结构的影响规律,揭示了静力柔度、动态频率、摩擦-热-振动多物理场耦合作用对高速重载制动盘内部结构的影响,获得了静力柔度最小化、动态频率最大化的等速螺线离心式高速重载制动盘内部结构。(3)针对高速重载制动工况对制动盘制动界面的性能需求,提出了能够将表面位移及应力进行全局控制的表面形貌优化方法,通过制动界面摩擦磨损试验在摩擦升温、摩擦系数、磨损程度及振动性能等方面对其结构进行选型,建立了面向位移与应力控制的制动盘制动界面多目标优化模型,通过优化结果分析了静力载荷、温度载荷、频率目标约束对制动界面结构的影响,获得了具有提高制动界面刚度、提升频率、容纳磨屑的径向均匀分布式高速重载制动盘制动界面。(4)基于制动盘内部与表面结构优化结果,结合可加工性对优化后制动盘进行了重构;针对优化后高速重载制动盘的制动性能,对其进行了振动特性、摩擦-热-振动多物理场耦合特性仿真分析及缩比惯性制动试验对照验证,验证结果表明:优化后制动盘在高速重载制动工况下变形、温度、应力分布均优于优化前制动盘,且不同初始转速和不同制动压力工况下,优化后制动盘的摩擦系数更稳定、制动时间更短。上述研究工作对于,提升高速重载制动盘的设计与制造水平,推动我国高速重载制动技术的快速发展具有重要的理论和实践意义,同时对于丰富其他多物理场耦合分析理论以及多物理场耦合作用下结构优化方法与工程应用具有一定的借鉴意义。