海洋环境下缸套-活塞环磨损过程的混沌动力学行为与系统建模研究

Based on the chaos theory in nonlinear dynamics, dynamic behavior of cylinder-piston ring system during wear process in marine environment will be qualitatively and quantitatively investigated. A complex dynamics tribology model will be then established. In this project, the tribolgical test platform in marine environment and relevant wear tests will be designed and performed to obtain friction signal that can reflect actual tribology system; afterwards, the evolution rule of chaotic dynamic behavior in the wear process of cylinder-piston ring system will be investigated and quantitatively characterized based on chaos theory, the wear state will be identified and the influence of marine environment and operating parameters on dynamic behavior will be analyzed; finally, the dynamics model of tribology system will be established on the basis of above research to reveal intrinsic characteristics. With marine environment as background and chaotic dynamics theory as foundation, interdisciplinary research on typical tribological systems will be conducted to explore and discover previously undetected characteristics. In summary, the research will not only enrich the tribology theoretically, but also promote further development of tribo-system dynamics, which have innovations and broad application prospects.

本课题旨在运用非线性动力学的混沌理论对海洋环境下缸套-活塞环磨损过程中的动力学行为进行定性分析与定量表征研究，并在此基础上建立复杂摩擦学系统的动力学模型。课题将首先进行海洋环境下的摩擦学试验平台设计与磨损试验来得到反映实际摩擦学系统的摩擦信号；其次运用混沌理论对缸套-活塞环磨损过程的混沌动力学行为演变规律进行定量表征及磨损状态识别研究，并分析海洋环境与工况参数等对系统动力学行为的影响；最后基于上述研究建立摩擦学系统的动力学模型来揭示系统内禀特性。本课题以海洋环境为背景，从混沌动力学理论出发，对典型摩擦学系统动力学行为进行学科交叉研究，有助于为认识从前未被发现的摩擦学系统特性开拓新的视野；具有创新性和应用前景，丰富了摩擦学理论，也促进摩擦学系统动力学研究进一步深入发展。

研制了一台往复式缸套-活塞环摩擦磨损试验机及其计算机控制系统，载荷、速度、温度、润滑、湿度、盐度等因素可控制调节。进行了多种工况条件下的缸套-活塞环摩擦磨损试验并获取摩擦信号时间序列，运用混沌理论证明了实际缸套-活塞环摩擦信号具有显著的混沌特性，运用相空间重构理论深入地研究了磨损过程的动力学行为。结果表明：缸套-活塞环的摩擦磨损过程存在混沌行为的“磨合吸引子”，通过磨合吸引子的相轨迹演变可以定性地观察摩擦系统的磨损状态。对不同工况条件下磨合吸引子的关联维数进行了计算，结果表明：速度对吸引子关联维数值的影响最大，其次为载荷与温度。该结论对磨合状态识别和磨损过程预测具有应用意义。综合运用混沌和分形理论对缸套-活塞环摩擦磨损过程中的摩擦信号进行研究来识别磨损状态。结果表明混沌和分形特征参数均能有效地表征不同磨损阶段摩擦信号的复杂性与不规则程度。因而可以用混沌与分形特征参数来定量识别磨损状态。此外，初步研究了表面接触模型，采用三维W-M分形函数模拟粗糙表面，综合考虑接触微凸体的弹性、弹塑性和塑性三种变形形式，建立了一个表面接触分形模型；在该模型的基础上，对单个微凸体的接触模型进行了修正，使得基于分形理论和基于传统理论建立的微凸体接触模型相统一。计算结果表明了上述所建模型的有效性。这为进一步研究缸套-活塞环摩擦副表面间的接触、磨损和热学等行为奠定了理论基础。