考虑运动副间隙与摩擦磨损效应的柔性航天机构耦合动力学研究

Clearance, friction and wear in joint are main factors that cause the performance and reliability decline of mechanical systems. It is more important to long-life spacecraft. For clearance and wear always exist in joints of mechanism, the drive mechanism of long-life spacecraft antenna is used as the application object. Base on the theory and description investigation of contact and wear in clearance joint, the wear model is integrated into multi-body system dynamics. The coupling dynamics model of flexible multi-body system including wear and clearance is established. Then the long-term nonlinear dynamic characteristics of mechanism with the changes of wear clearance are studied. Further, the influence mechanism of clearance on the dynamic performances is investigated and the coupling influences between wear and dynamics responses are analyzed. Thus, the dynamics performances of space mechanism considering clearance, friction, wear and flexible bodies are reflected truly. The research of this project combines flexible multi-body system dynamics and tribology effectively, which expands the research area of flexible multi-body system dynamics and provides scientific theory and method for dynamics performance analysis and evaluation of mechanical systems.

运动副间隙和摩擦磨损是引起机械设备性能和可靠性下降的主要因素之一，对于长寿命航天器而言，该问题显得尤为重要。针对机构运动副普遍存在间隙、摩擦磨损现象，以长寿命航天器星载天线驱动机构为对象，在研究含间隙运动副接触碰撞以及摩擦磨损机理和描述的基础上，将摩擦磨损集成到多体系统动力学中，建立含摩擦磨损和运动副间隙的复杂柔性多体系统动力学耦合模型，通过理论与实验相结合的方法，系统地研究机构随运动副磨损间隙变化的长期非线性动力学特性，进一步分析运动副间隙对系统动态行为的作用机理以及含间隙运动副摩擦磨损和动力学行为的交互耦合机制，真实地反映考虑运动副间隙、摩擦磨损和构件柔性的航天机构动力学性能。本项目的研究将柔性多体系统动力学与摩擦学有机结合，拓展了柔性多体系统动力学的研究领域，为机械设备系统的动态性能分析与评估提供科学的理论和方法。

本项目以高精度、高可靠性以及长寿命的机械系统和航天机构为背景，通过理论研究与地面实验相结合的方法，研究考虑运动副间隙和摩擦磨损效应的柔性多体系统动力学问题。首先，将含间隙运动副等效为约束力副，对含间隙运动副进行了合理的建模与描述，进一步结合柔性多体系统动力学理论，采用动态分段的方法建立了考虑间隙和构件柔性的多体系统动力学方程。进而建立了运动副间隙接触碰撞力模型与摩擦力模型，详细的分析了运动副间隙接触碰撞力模型对含间隙机构非线性动力学特性的影响以及多间隙接触碰撞、构件柔性对含间隙机构动力学特性的影响规律。建立了含间隙机构运动副动态磨损计算模型，可以有效的研究间隙运动副的动态磨损特征以及磨损表面重构，进而建立了考虑运动副间隙的多体机构动力学特性与磨损特性的集成分析方法与数值计算框架，预测含间隙运动副磨损对机构动力学特性的影响，分析含间隙运动副摩擦磨损和动力学行为的交互耦合机制，揭示机械系统全寿命周期的动力学性能演化规律。在此基础上，将相关理论成果应用于航天机构领域，详细的研究了考虑运动副间隙、摩擦磨损和构件柔性的航天机构动力学特性。在理论研究的基础上，完成了考虑多间隙的平面机构地面实验研究工作，验证了理论研究成果的正确性。最后，对项目内容进行了适当延伸和拓展，研究了考虑运动副间隙的机构运动稳定性优化设计与运动精度可靠性分析。本项目的研究拓展了柔性多体系统动力学的研究领域，研究成果具有普适性和可推广性，为机械设备系统的动态性能分析与评估提供科学的理论和方法。