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

1、隨著現(xiàn)代機械逐漸向高速、高精度、高性能和輕量化方向發(fā)展，機械系統(tǒng)的全生命期性能逐漸成為人們關(guān)注的焦點。機械系統(tǒng)在長時間工作之后出現(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,運動副部位的磨損最常見，其通過改變運動副的配合尺寸對機械系統(tǒng)的可靠性、運動精度和使用壽命產(chǎn)生重要的影響。目前，人們對磨損的研究還主要集中于從微觀層面對磨損機理進行探討，而沒有考慮機械系統(tǒng)對它的影響。本文在“摩擦學(xué)的三個公理”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)動力學(xué)進行耦合仿真，并從理論、仿真和試驗等方面對鉸接副的磨損預(yù)測進行建模和分析，為機械系統(tǒng)的設(shè)計和全生命期性能預(yù)測奠定理論基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容包括：
　　基于Archard磨損模型和有限元接觸理論，建立了滑動磨損仿真預(yù)測模型，并開發(fā)了磨損預(yù)測通用程序。引入磨損增量步的概念實現(xiàn)了對連續(xù)磨損過程的離散化仿真計算。通過移動邊界表面節(jié)點模擬表面材料的去除過程。采用邊界位移法解決了由于邊界節(jié)點移動導(dǎo)致的

3、表層網(wǎng)格畸形問題。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算策略。
　　在基于Archard磨損模型進行磨損預(yù)測時，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、相對滑動速度、溫度和潤滑介質(zhì)等）。通過進行有限組不同工況條件下的磨損試驗，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對試驗數(shù)據(jù)進行挖掘分析，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)測仿真模型中。
　　為了實現(xiàn)對多體動力學(xué)系統(tǒng)間隙鉸接副的磨損預(yù)測，建立了含間隙鉸接副的剛-柔耦合多體動力學(xué)系統(tǒng)模型。對多體動力學(xué)系統(tǒng)中的間隙鉸接副進行了運動學(xué)和動力學(xué)描述，并分別采用Lankarani-Nikravesh法向接觸模型和LuGre摩擦模型計算鉸接副法向和切向約束力。將采用自然節(jié)點坐標(biāo)系構(gòu)建的剛性構(gòu)件和采用絕對節(jié)點坐標(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)動力學(xué)模型。
　

5、　通過集成磨損仿真預(yù)測模型和多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，建立了多體動力學(xué)系統(tǒng)鉸接副磨損預(yù)測仿真框架。為了提高仿真效率，提出了“加權(quán)平均”法對動力學(xué)分析的結(jié)果進行預(yù)處理，并采用“Cycle-update”的周期更新策略對鉸接副進行磨損仿真預(yù)測。通過引入非線性動態(tài)變剛度系數(shù)以考慮磨損對動力學(xué)求解的影響。
　　基于磨損仿真預(yù)測模型，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫和神經(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)測數(shù)字樣機。數(shù)據(jù)庫用于保存磨損試驗數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于

6、對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行挖掘，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。為了實現(xiàn)對國內(nèi)某型號挖掘機動臂根部鉸接副的磨損預(yù)測，首先搭建了MZW-150搖擺軸承式磨損試驗機，通過試驗獲得不同工況條件（接觸壓力和相對滑動速度等）下的磨損系數(shù)，并將試驗數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。運用ADAMS仿真軟件對挖掘機進行建模并根據(jù)某種特定工況進行動力學(xué)仿真，獲得其動臂根部鉸接副的約束狀況。最后，運用構(gòu)建的磨損仿真預(yù)測數(shù)字樣機實現(xiàn)了