基于材料微观结构的空间滚动轴承高低温动态接触特性研究

Rolling bearing is widely used in spatial mechanisms subjected to special and extreme environments in the fields of aeronautics and astronautics, its failure always causes the failure of the whole mechanisms. Based on the microstructures of materials, the present project focuses on the dynamic contacting properties of spatial rolling bearings subjected to high-low temperatures. The main research contents are: (1) By employing focused ion beam/scanning electron imaging system, etc., the geometry and constituent characteristics of microstructures of spatial rolling bearings are extracted, the microstructures of the materials are modeled and reconstructed; (2) Studying on the influence of high-low temperatures on the material parameters of bearing microstructures, analyzing thermal conducting between the microstructures of materials, establishing the micro thermal balance model for spatial rolling bearings subjected to high-low temperatures, and conducting the analysis on thermo-elasto-plastic coupled contacting of the bearings affected by high-low temperatures and material microstructures. (3) Conducting the comprehensive performance testing for spatial rolling bearings, by utilizing the contact mechanics and dynamics of spatial rolling bearings subjected to high-low temperatures, the dynamic contacting properties of spatial rolling bearings subjected to high-low temperatures can be modeled with taking the microstructures of materials into consideration. The research achievement of the project will be the theoretical support for the optimal design of structure and microstructure of spatial rolling bearings, significantly helpful for the reliability evaluation and life prediction for rolling bearings under special and extreme environments.

滚动轴承广泛应用于航空、航天等特殊环境与极端工况下的空间机构中，其失效往往导致机构的整体失效。本项目着重从材料微观结构角度入手，研究高低温作用下空间滚动轴承的动态接触特性问题。主要内容包括：（1）基于离子束/电子束双束系统等设备，提取典型空间滚动轴承材料真实微观结构及组分特征，对材料微观结构进行建模与重构。（2）探究高低温对轴承微观结构材料参数影响的一般规律和机制，分析热量在材料微观结构之间的传导方式，建立高低温环境下空间滚动轴承微观热平衡模型，开展高低温及材料微结构耦合作用下轴承接触行为的热-弹-塑力学分析。（3）开展空间滚动轴承综合性能实验，综合考虑高低温作用下空间滚动轴承微观接触力学及动力学理论，建立考虑微观结构的空间滚动轴承高低温动态接触特性模型。项目研究成果将为空间滚动轴承结构以及材料微观组织优化设计提供理论依据，有效指导特殊极端环境下滚动轴承的可靠性评估及寿命预测。

滚动轴承广泛应用于航空、航天等特殊环境与极端工况下的空间机构中，其失效往往导致机构的整体失效。本项目着重从材料微观结构角度入手，研究高低温作用下空间滚动轴承的动态接触特性问题。主要研究成果包括：（1）提出了基于Ziggurat算法的材料微观结构统计学重构及基于FIB/SEM双束系统的真实材料微观结构重构方法；针对大部分工程实际粗糙表面符合非高斯分布的事实，采用了基于快速傅里叶变换的数值仿真方法重构给定参数的非高斯粗糙表面形貌。（2）提出了基于等效夹杂方法的处理三维非均质材料粗糙面接触问题的界面力学分析算法，并对材料内部及表面微观结构对滚动轴承接触疲劳性能影响进行了分析；项目进一步建立了温度作用下接触副材料内部应力分布模型，分析了摩擦热参数作用下材料滚动接触疲劳性能演化规律。（3）利用Abaqus有限元软件对典型空间滚动轴承动态接触性能进行了分析，利用NTN疲劳试验机进行了滚动轴承疲劳寿命实验，实验与理论预测结果的对比证实了项目所提方法处理空间滚动轴承高低温动态接触特性的能力。项目在特殊极端环境下滚动轴承微观动态接触性能以及可靠性优化设计理论和方法等关键科学技术方面取得了一定突破和创新。项目研究成果可为空间滚动轴承结构以及材料微观组织优化设计提供理论依据，有效指导特殊极端环境下滚动轴承的可靠性评估及寿命预测。