多體機(jī)械系統(tǒng)鉸接副間隙磨損預(yù)測(cè)的數(shù)值研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代機(jī)械逐漸向高速、高精度、高性能和輕量化方向發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)的全生命期性能逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。機(jī)械系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作之后出現(xiàn)的不可恢復(fù)的變化，是引起性能衰退的主要原因之一。在這些不可恢復(fù)的變化中,運(yùn)動(dòng)副部位的磨損最常見，其通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)副的配合尺寸對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命產(chǎn)生重要的影響。目前，人們對(duì)磨損的研究還主要集中于從微觀層面對(duì)磨損機(jī)理進(jìn)行探討，而沒(méi)有考慮機(jī)械系統(tǒng)對(duì)它的影響。本文在“摩擦學(xué)的三個(gè)公理”的指導(dǎo)下，從系

2、統(tǒng)的角度將多體系統(tǒng)中間隙鉸接副磨損與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行耦合仿真，并從理論、仿真和試驗(yàn)等方面對(duì)鉸接副的磨損預(yù)測(cè)進(jìn)行建模和分析，為機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和全生命期性能預(yù)測(cè)奠定理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　基于Archard磨損模型和有限元接觸理論，建立了滑動(dòng)磨損仿真預(yù)測(cè)模型，并開發(fā)了磨損預(yù)測(cè)通用程序。引入磨損增量步的概念實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)磨損過(guò)程的離散化仿真計(jì)算。通過(guò)移動(dòng)邊界表面節(jié)點(diǎn)模擬表面材料的去除過(guò)程。采用邊界位移法解決了由于邊界節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致的

3、表層網(wǎng)格畸形問(wèn)題。為了加速磨損仿真，提出了基于“Cycle-update”的周期更新策略、外推放大因子策略和并行計(jì)算策略。
　　在基于Archard磨損模型進(jìn)行磨損預(yù)測(cè)時(shí)，磨損的系統(tǒng)依賴性主要表現(xiàn)為Archard模型中的磨損系數(shù)受到系統(tǒng)中多種因素的影響（如接觸壓力、相對(duì)滑動(dòng)速度、溫度和潤(rùn)滑介質(zhì)等）。通過(guò)進(jìn)行有限組不同工況條件下的磨損試驗(yàn)，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，獲得磨損系數(shù)與各因素間的關(guān)系。然后，將該關(guān)系應(yīng)用于磨

4、損預(yù)測(cè)仿真模型中。
　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)間隙鉸接副的磨損預(yù)測(cè)，建立了含間隙鉸接副的剛-柔耦合多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型。對(duì)多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的間隙鉸接副進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)描述，并分別采用Lankarani-Nikravesh法向接觸模型和LuGre摩擦模型計(jì)算鉸接副法向和切向約束力。將采用自然節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系構(gòu)建的剛性構(gòu)件和采用絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法構(gòu)建的柔性構(gòu)件與間隙鉸接副模型相結(jié)合，構(gòu)建了含間隙鉸接副剛-柔耦合多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。
　

5、　通過(guò)集成磨損仿真預(yù)測(cè)模型和多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，建立了多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)鉸接副磨損預(yù)測(cè)仿真框架。為了提高仿真效率，提出了“加權(quán)平均”法對(duì)動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，并采用“Cycle-update”的周期更新策略對(duì)鉸接副進(jìn)行磨損仿真預(yù)測(cè)。通過(guò)引入非線性動(dòng)態(tài)變剛度系數(shù)以考慮磨損對(duì)動(dòng)力學(xué)求解的影響。
　　基于磨損仿真預(yù)測(cè)模型，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了用于旋轉(zhuǎn)鉸接副磨損仿真預(yù)測(cè)數(shù)字樣機(jī)。數(shù)據(jù)庫(kù)用于保存磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于

6、對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，以獲取Archard磨損模型中的磨損系數(shù)與摩擦學(xué)系統(tǒng)中各影響因素之間的關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)某型號(hào)挖掘機(jī)動(dòng)臂根部鉸接副的磨損預(yù)測(cè)，首先搭建了MZW-150搖擺軸承式磨損試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)獲得不同工況條件（接觸壓力和相對(duì)滑動(dòng)速度等）下的磨損系數(shù)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。運(yùn)用ADAMS仿真軟件對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行建模并根據(jù)某種特定工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲得其動(dòng)臂根部鉸接副的約束狀況。最后，運(yùn)用構(gòu)建的磨損仿真預(yù)測(cè)數(shù)字樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了