动力摩擦定律及汽车制动器摩擦诱发的振动和噪音

Friction is a major source of vibration damping and as such is stabilising; on the other hand, friction can induce vibration and noise, and thus is destabilising in many situations. From the physics point of view, friction is a complicated phenomenon that has not been very well understood. This lack of knowledge is manifested in life and engineering as failure to properly deal with and eliminate many forms of friction-induced vibration and noise. One such example is the notorious automotive brake squeal problem, which severely restricts economic gains and affects people’s life. Friction-induced vibration and noise is also an interesting science topic..Based on the knowledge and understand achieved so far and the current state-of-the-art of tribology and friction-induced vibration and noise, this project proposes first to establish a multi-spatial-scale and multi-time-scale dynamic friction law and then structural models with appropriate details. This project integrates experiments and theories, and the two approaches fertilise each other. In the project, inverse dynamics methods of structural identification, model updating and structural modifications will also be used and studied, and numerical algorithms for simulating nonsmooth (and even discontinuous) time-varying dynamic systems and for dynamic model reduction will be developed; variability and uncertainty in the structures and materials will also be duly considered. The ultimate goal is to establish a unified theoretical framework suitable for various kinds of friction noise which will be validated on a real automotive disc brake.

摩擦是阻尼的主要来源，因此起稳定作用；但在某些情况，摩擦会诱发振动和噪音，成为不稳定因素。作为一个尚未获得充分认识的复杂物理现象，摩擦在许多工程领域和日常生活中引发了大量形式多变的振动和噪音问题。这些问题在当前仍没有得到很好的解决（比如汽车制动器尖叫问题），并严重影响了社会经济效益和人民的正常生活。针对摩擦诱发振动和噪音这个重要科学问题，本项目以前期取得的相关成果和目前的研究进展为基础，提出首先通过试验和动力学反分析建立多空间和多时间尺度的动力摩擦定律，然后建立具有适当结构细节的结构动力学模型的思路，拟将试验和理论有机紧密地结合，使用结构识别、模型修正和结构修改的方法，发展分析非光滑（甚至不连续）的时变动力学算法和模型减缩方法，同时考虑结构和材料的可变性和不确定性，并通过在真实的汽车制动器上验证建立的摩擦定律和理论框架，最终期望为同时解决多种摩擦诱发振动和噪音问题提出一套系统的科学方法。

摩擦无所不在。在动力学范围内，摩擦起着双重作用：一方面消耗能量，因此减少振动；而另一方面，会注入能量，激发振动和声音。本项目以探索摩擦诱发振动和噪声的根本原因和影响因素为目标，通过摩擦学和动力学试验、摩擦系统模型及其减缩技术、减振降噪等多方面的研究工作，建立一个跨尺度的摩擦诱发振动和噪音的理论框架。经过四年努力，对摩擦现象本身和它诱发振动和噪声的机理有了更深入的新认识，取得较丰硕的成果如下：.1.开创性地改进经典的滑块-传送带模型和滑块-旋转圆盘模型，引入粘-滑和分离-再接触两个非光滑动力学机理，利用高频振动实现主动控制，基于大量数值仿真，获得系统参数对稳定性和动力响应的影响。.2.设计组装两个摩擦和振动综合实验台，针对摩擦诱发振动问题开展大量摩擦学和振动实验，结合多种探测仪器研究摩擦界面金相和磨屑，揭示磨损和摩擦诱发振动和噪声的物理机理，以此掌握低频振动/噪声（粘-滑型）和高频噪声（尖叫）规律。.3.建立复特征值分析的模型减缩方法，用于真实试验台的高自由度有限元模型减缩，实验验证模型减缩方法的有效性，降低复杂摩擦系统分析的计算量。 .4.与西南交通大学摩擦研究所合作，研究表面织构的减振作用、摩擦粒子的几何形状和方向角对火车车闸噪声的影响，提供了表面织构在工程应用上的理论依据。.5.在理论上研究和实验上验证基于压电材料和摩擦电这两种摩擦振动能量采集装置的有效性。.6.针对含摩擦接触的螺栓法兰连接结构建立一套基于静力试验或静力分析的简化动力学快速建模方法，并应用于火箭结构总体动力学建模与连接结构可靠性分析。.7.研究一系列摩擦诱发振动和噪声实际问题：航空发动机叶轮的摩擦阻尼器和叶片与机壳的碰撞摩擦的数值模拟，阻尼合金和阻尼橡胶减振作用，车轨不平顺引起的火车-铁轨-桥梁耦合系统动力响应的数值模拟，系统的不确定性和非稳态随机性的影响。.上述研究成果已整理为三十篇论文，很多发表于各相关专业顶尖期刊。