表面织构对含间隙转动副多体系统摩擦学与动力学性能影响的理论与实验研究

There are numerous revolute clearance joints, which commonly work in the harsh environment without effective lubrication, in robots, aerospace equipments and mechanical systems. The contact, friction and wear of the revolute joint are the inevitable properties existing in the system, and these nonlinear tribology behaviors coupling with the dynamic characteristics of mechanical system has a significant effect on the performance of mechanism and equipment. Surface texture is an effective technique to improve tribological characteristics of friction pairs. However the theoretical and experimental studies on the application of surface texture at the revolute joint system, especially in the hydrodynamic hybrid bearing-rotor system are seldom. Therefore, the revolute clearance joints in the multibody systems are selected as the research object in this project, which mainly focuses on the problems of mechanism stability and system safety and reliability caused by the contact, friction and wear of the revolute clearance joints. The coupled model is constructed to solve the problems of tribology and multibody system dynamics. The large-scale surface texture is then introduced in the multibody system, and the effective algorithm for the problems of multiscale, aperiodic structure and multi lubricating regime is studied. In order to validate the theoretical models and analyze the influences of surface texture on the dynamic characteristics of system and the transition of lubrication regime, an integrated experiment bench is built for studying tribology and dynamics in the revolute clearance joints. The work in this project has important theoretical significance and valuable engineering application for enhancing the lifetime, stability and safety and reliability of large mechanical systems.

机器人、航天航空器件以及各种机械系统中含有大量的间隙转动副，且这些转动副常处在无有效润滑的苛刻工作环境，其自身的接触、摩擦和磨损是系统不可避免存在的属性，这些具有明显非线性特征的摩擦学行为与机械系统动力学特性耦合起来对机构和设备的性能产生重要影响。表面织构是一种有效改善接触副摩擦学特性的技术手段，然而针对其在转动副系统，特别是在流体动静压轴承转子系统中应用的理论与实验研究相对缺乏。本项目拟以含间隙转动副多体系统为研究对象，针对间隙副的接触、摩擦及磨损引发的机构稳定性和系统安全可靠性问题，建立摩擦学与多体系统动力学耦合求解模型，并引入大规模表面织构，研究多尺度、非周期结构以及多润滑状态问题的有效算法，搭建含间隙转动副摩擦学与动力学集成实验平台，以验证理论模型并分析表面织构对系统动态特性和润滑状态转变的影响。项目工作对提升大型机械系统的寿命、稳定性和安全可靠性有重要的理论意义和工程应用价值。

本项目主要目标在于将表面织构与多体系统相结合，以解决目前机械系统中因间隙铰接副的存在而导致的摩擦、磨损、震动、噪声等问题。采用的研究策略为理论分析、数值计算和实验验证相结合，主要的研究内容主要概括为以下4个部分：接触力模型对含间隙铰接副多体系统的影响研究；不同工况下恢复系数模型的研究与优化；表面织构的摩擦学性能研究与数值优化；表面织构与多体系统的耦合算法开发研究。项目的主要研究工作以及所得重要结果如下所示：.1.为研究接触力模型对含间隙铰接副多体系统动力学分析结果的影响，分析了不同接触力模型中阻尼系数和耗散能的计算方法及其优缺点。结果表明接触力模型中耗散能的增加可以使多体系统动力学计算结果更快趋于稳定；选取适当的接触力模型可改善动力学方程的求解效率及结果稳定性。针对不同恢复系数，从稳定性、计算效率及适用范围三方面考虑，得出了相应的更具优势的接触力模型。.2.针对间隙转动副接触力计算时的恢复系数进行对比和仿真研究，建立了新的恢复系数模型。同时针对受恒定外力作用和表面织构作用两种工况，建立了新的恢复系数模型。动力学分析以及实验验证了模型的有效性，充分提高了间隙转动副接触力计算的有效性和准确性。.3.在有限细胞法的基础上，采用全局敏感性分析对大规模表面织构的几何参数进行分析，采用遗传算法对织构的参数进行优化以提高织构的摩擦学性能，结果显示只对敏感参数进行优化可以在保证质量的前提下显著提高优化速度。最后采用CFD设计了几种新型织构，以上工作目的在于提供一种可视化和系统化的织构设计标准。.4.基于广义特征分解法，采用雷诺边界条件，提出了一种考虑空穴效应的动载有限长滑动轴承非线性油膜力模型。通过数值实验证明了所提方法的准确性与高效性。将有限细胞法与互补理论相结合，建立了考虑质量守恒边界条件的大规模表面织构的多尺度计算方法。以上工作为后续织构与多体系统的耦合计算奠定基础。