Multi-scale friction modeling and topology-based wear integration for automotive brake interfaces = 차량용 브레이크 접촉면의 다중스케일 마찰 모델링 및 표면 형상 기반 마모 통합 해석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents a comprehensive investigation into the multi-scale mechanisms governing friction and wear behavior in automotive brake systems, integrating experimental observations, theoretical modeling, and computational implementation.
Part I reviews the fundamental tribological mechanisms in braking interfaces, emphasizing the effects of brake pad heterogeneity, surface topography evolution, and interfacial phenomena on friction and wear. The challenges of existing friction and wear models are discussed, highlighting the need for multi-scale frameworks that can account for evolving material and surface conditions during repeated braking.
Part II introduces an asperity-based multi-scale friction model, developed from experimentally characterized brake pad and disc surfaces. Using height distribution data measured through 3D confocal microscopy, the model incorporates non- Gaussian surface statistics and contact mechanics of multi-asperity deformation. A plowing model based on disc asperity geometry is also proposed to capture tangential resistance at the micro-scale. The resulting framework links material-level deformation with continuum-scale frictional behavior, providing an accurate description of pressure- and temperature-dependent friction evolution.
Part III extends this framework by developing a surface-evolution-based wear model and a neural-network-assisted friction prediction scheme, both integrated
within a finite element (FE) environment. The wear model captures running-in and steady-state behaviors through evolving topographical parameters, while the neural network serves as a surrogate model for real-time friction estimation. Through user- defined subroutines, these models are iteratively coupled with thermo-mechanical FE simulations of a reduced-scale brake dynamometer test.
The integrated modeling framework successfully replicates experimentally observed trends in friction coefficient and wear evolution, demonstrating the interdependence of mechanical, thermal, and topographical effects in brake contact interfaces. This study offers both a physically grounded and computationally efficient approach for predicting the tribological performance of automotive brakes, contributing to the development of next-generation friction materials and digital twin systems for braking applications.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 자동차 브레이크 패드와 디스크 계면에서 발생하는 마찰 및 마모 거동을 다중 스케일 기반으로 정량적으로 이해하고, 이를 유한요소해석에 통합하기 위한 새로운 모델링 프레임워크를 제안하였다. 먼저 Part I에서는 기존 문헌을 토대로 브레이크 계면에서 발생하는 트라이볼로지 메커니즘과 열·기계적 상호작용의 특징을 체계적으로 정리하였다. 패드 재료의 비균질성, 표면 돌기 간 접촉, 트라이보필름의 형성·붕괴 과정 등이 전체 마찰 현상에 어떤 영향을 미치는지 고찰하여 이후 모델 개발의 기반을 마련하였다.
Part II에서는 다중 스케일 모델링을 위한 실험적 기반을 구축하였다. 이를 위해 실제 브레이크 패드와 디스크 재료에 대한 조직 관찰, 스케일 다이나모미터 시험을 통한 마찰 거동 측정, 제동 전후의 표면 형상 분석을 수행하였다. 이러한 데이터는 단일 돌기 접촉 구조의 변형, 국소 압력 분포, 온도 변화, 표면 형상 매개변수가 마찰 생성 메커니즘에 미치는 영향을 모델에 반영하는 데 활용되었다. 이를 바탕으로 단일·다중 돌기 수준의 접촉 반응을 고려한 다중 스케일 마찰 모델을 제시하였으며, 압력 조건과 표면 진화 단계에 따른 실험 결과와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.
Part III에서는 제안된 마찰 모델을 표면 형상 기반 마모 모델과 연계하여 유한요소해석 환경에 통합하였다. 반복 제동 과정에서 발생하는 마모량, 국소 표면 형상 변화, 접촉 면적 진화, 마찰력 변동을 예측함으로써 모델의 적용성을 확인하였다. 특히 마찰과 마모가 시간에 따라 상호 영향을 주는 복합적 거동을 반영함으로써 기존 해석 기법의 한계를 보완하였다.
본 연구의 결과는 실제 브레이크 시스템에서의 마찰·마모 특성 예측의 정확도를 향상시키며, 재료 설계, 성능 평가, 소음 저감 기술 개발 등 다양한 분야에서 활용 가능한 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• ________________________________________
• List of Figures viii
• List of Tables xii
• Part I Tribological mechanisms and brake modeling 1
• 1.1. Backgrounds in tribology modeling 2
• 1.2 Basic friction and wear mechanisms. 6
• 1.3 Advancements in friction models 13
• 1.4 Friction and wear in automotive brakes 17
• 1.5 Finite element modeling and computational techniques for brake systems 23
• 1.6 Research objectives 26
• Part II Asperity-based multi-scale friction model 29
• 2.1. Experimental basis and methodology 30
• 2.1.1. Backgrounds in brake friction test methodology 31
• 2.1.2. Materials 33
• 2.1.3. Brake dynamometer test 35
• 2.1.4. Surface topography measurement 37
• 2.2. Multi-scale friction model development 41
• 2.2.1. Asperity height distribution 43
• 2.2.2. Pad asperity-based contact model 50
• 2.2.3. Disc asperity-based plowing model 58
• 2.3. Numerical study on the friction model 64
• 2.3.1. Model validation 64
• 2.3.2. Parametric study on friction model 70
• Part III Integrated wear-friction application in finite element analysis 78
• 3.1. Topology evolution-based wear model 79
• 3.1.1. Topology evolution model 81
• 3.1.2. Modified Archard’s law 86
• 3.2. Wear model calibration and validation 91
• 3.2.1. Surface topology evolution and model calibration 91
• 3.2.2. Validation of topology evolution and prediction of wear volume 96
• 3.3. Model implementation in finite element analysis 100
• 3.3.1. Piece-wise linear approximate function 101
• 3.3.2. Neural network surrogate modeling 104
• 3.3.3. Finite element model of brake dynamometer test 110
• 3.4. Simulation results and discussion 116
• 3.4.1. Effect of control variables on the friction behavior 117
• 3.4.2. Experimental validation of the FE model 123
• 3.4.3. Evolution of surface variables in iterative FE analysis 127
• Conclusion 136
• Appendix 141
• A. Anisotropic hyperelastic – viscoelastic model for brake pad 141
• B. Precision analysis of surrogate model 146
• Bibliography 150