我国作为全球第二大经济体,公路运输业扮演着重要角色。随着公路运输规模的增长,运输车辆有载重多、速度快、运输效率不断提升、克服恶劣道路环境等变化趋势,生命和财产安全面临前所未有的挑战。制动系统是运输车辆安全的保障,其中制动鼓是卡车制动系统中重要的组成部分,在卡车制动时受热疲劳和磨损作用产生热疲劳裂纹,造成制动鼓失效,严重时对生命构成威胁,制动鼓及其所用材料灰铸铁存在的问题日益凸显。此外,我国每年制动鼓用量三千多万只,频繁更换制动鼓会造成价值数十亿至数百亿资源的浪费。因此,提高制动鼓的使用寿命、提升制动鼓灰铸铁材料抗热疲劳和磨损性能具有现实意义和重大的应用价值。灰铸铁卡车制动鼓的失效是一个由多因素导致的复杂问题,仅通过改变单一因素无法解决。通过对自然界中生物体表面特征的观察和研究后发现,为了适应自然,生物体在结构,材料和形态等多因素耦元的共同作用下进化出了具有优异功能的体表结构。本文依据耦合仿生学原理,采用激光熔凝的方法,在灰铸铁表面制备耦合仿生单元体,单元体耦元与基体母材耦元形成“软硬相间”的结构,研究了激光能量与制动鼓壁厚之间的关系,优化了加工灰铸铁卡车制动鼓的激光参数,分析了不同组织灰铸铁母材耦元对激光耦合仿生处理的影响规律,总结了耦合仿生单元体对不同组织灰铸铁抗热疲劳和磨损性能的提升程度,探究了形态耦元特征量对制动鼓灰铸铁抗热疲劳和磨损性能的影响规律,设计了针对灰铸铁卡车制动鼓失效特点的组合式耦合仿生模型,试制了多只耦合仿生灰铸铁制动鼓进行了台架试验和装车试验。耦合仿生单元体是“软硬相间”仿生结构耦元重要的组成部分,单元体的深宽比、气孔和裂纹数量直接关系到对制动鼓性能提升的程度。首先验证了试样厚度对结构耦元单元体的质量影响极大,使用有限元模拟分析激光熔凝区域的温度场分布,计算出不同厚度试样的热阻抗并进行对比;接着对加工卡车灰铸铁制动鼓激光参数通过正交试验进行优化,得到了深宽比为0.722,无明显气孔和裂纹的结构耦元单元体,加工参数为电流140 A,脉宽8 ms,频率4 Hz,扫描速度1.2 mm/s,离焦量9.8mm;然后拟合了激光能量与不同厚度试样之间的关系公式,确定加工制动鼓的激光功率密度为150.8 W/mm2。优质单元体存在渗碳体,马氏体和残余奥氏体组成的超细化组织,因此显微硬度远高于基体母材,熔凝区的显微硬度比基体提高133%,相变区的显微硬度比基体提高90%。市面上不同厂家、不同批次的灰铸铁制动鼓组织成分各异,性能存在差异,因此需要探究母材耦元对耦合仿生灰铸铁抗热疲劳和磨损性能的影响。首先研究不同石墨类型、不同含碳量、不同珠光体含量和片间距对灰铸铁抗热疲劳和磨损性能的影响,其次探究耦合仿生单元体对不同组织灰铸铁抗热疲劳和磨损的提升程度并分析其作用机理。在本研究所用材料的研究范围内,对于不同石墨类型灰铸铁,A型石墨抗热疲劳性能最好,C型和D型石墨热疲劳裂纹数量最多,D型石墨主裂纹长度最长,单元体对D型石墨抗热疲劳性能提升程度最大,C型石墨耐磨性能最佳,D型石墨耐磨性能最差,单元体对D型石墨耐磨性能提升程度最大;对于不同含碳量灰铸铁,含碳量越高抗热疲劳性能越差,含碳量越高石墨润滑作用越强,母材耐磨性越好;对于不同珠光体含量和片间距灰铸铁,珠光体含量越多,其抗热疲劳性能和耐磨性越好,片间距越小,其抗热疲劳性能和耐磨性越好,珠光体含量98%,珠光体片间距为152 nm时,具有最佳的抗热疲劳性能和耐磨性能,经过激光处理后,珠光体的影响减小,各试样的实验结果差异减小。灰铸铁制动鼓的失效是在热疲劳和磨损共同作用下造成非均匀的区域性破坏,因此首先研究了不同形态耦元特征量的仿生表面对抗热疲劳和磨损性能的提升程度,分别选取最适合制动鼓的形态耦元特征量。发现单元体分布间距为2 mm时呈现最优的抗热疲劳性能,但是磨损失重量最多,单元体分布间距为4 mm时表现出最佳的耐磨损性能;分布角度为0°角时,试样具有最好的抵抗来自垂直方向热疲劳裂纹的性能,分布角度为45°角时,试样具有最好的抗热疲劳和磨损性能。针对实际工况中灰铸铁制动鼓的失效特点,设计组合式耦合仿生模型,并对其抗热疲劳和磨损性能进行研究,结合有限元分析其作用机理。发现止裂环+45°角特征量模型拥有最好的抗热疲劳和磨损性能。台架试验结果表明仿生制动鼓的寿命分别提升了33%,47%和42%;实际应用装车试验表明,仿生制动鼓的服役时长至少提升了50%。