含间隙铰接副多体系统的摩擦磨损与动力学耦合分析和实验研究

运动副间隙是影响机械系统动力学性能的重要因素。针对工程机械系统中广泛应用的无有效润滑的含间隙铰接副的接触、摩擦磨损引发的机构动态性能，安全可靠性和使用寿命方面的问题，采用理论研究、数值仿真、实验研究和工程验证相结合的方法，研究微间隙铰接副共形接触下考虑界面微观力学行为的接触、摩擦、磨损计算模型，以及向宏观尺度映射规则；研究接触、摩擦、磨损与多体系统动力学耦合分析框架，以及跨领域模型集成和多时间空间尺度下数值计算方法；开发含间隙铰接副多体系统摩擦学动力学耦合设计平台，并研制典型实验装置及整机实验对所提理论方法进行实验研究。揭示间隙铰接副摩擦磨损与机器动态性能之间的内在联系。项目工作对于工程机械等无有效润滑的含间隙铰接副的机械系统的动力学设计与分析具有重要的理论意义和社会经济应用价值，相关研究成果亦可延伸至航空航天机构的分析与设计。

本项目针对机械系统中普遍存在的含间隙铰接副的接触、摩擦及磨损问题而展开，采用的研究策略为理论分析、数值模拟和试验验证相结合，主要的研究内容概括为：微间隙下共形接触副的微观和宏观接触、摩擦及磨损计算问题；多体系统中含间隙铰接副的摩擦学与动力学耦合求解问题；理论模型的试验验证以及无有效润滑含间隙铰接副问题的合理延伸和拓展。项目的主要研究工作以及所得重要结果如下：.1. 利用Winkler弹性基础模型，从宏观上解决了含间隙铰接副的接触计算问题，不但获得与有限元法接近的计算精度，而且大大提高了计算效率，进一步提出一种非对称的Winkler模型，利用该模型可以准确模拟实际中磨损后铰接副的曲率连续变化，通过与曲柄滑块机构试验结果的对比发现，理论计算几乎可以捕捉到真实的磨损发生位置，预计该模型可作为分析此类问题的一般框架。.2. 采用分形理论从微观上分析了粗糙表面的接触和磨损问题，构建了包括弹性、弹塑性以及塑性状态的三维粗糙表面分形接触模型，数值模拟的结果表明磨损率与分形参数、载荷和材料属性之间存在较强的非线性关系，而利用分形接触理论得到的磨损系数，可以在一定程度上避免Archard磨损系数对试验的依赖性，并具有尺度独立性和客观唯一性。.3. 分别利用第二类拉格朗日方程和牛顿-欧拉法建立多体系统动力学模型，并使用接触力和间隙杆模型来表示多体系统中的含间隙铰接副，最终通过Winkler、Archard和库仑摩擦模型将间隙铰接副的摩擦学问题和多体系统动力学问题耦合起来进行求解，构建了耦合数值计算框架，并通过搭建的曲柄滑块机构试验台对理论计算的结果进行验证，从而证明了理论模型的有效性和精确性。此外，在上述研究的基础上，进一步分析了多个间隙对曲柄滑块机构磨损的交互影响作用，这项工作无论在国内还是国际上都属于极具开创性的。.4. 对项目的研究内容进行了适当延伸和拓展，首先考虑了润滑的影响，并在与多体系统动力学耦合分析的过程中，提出了一种全新的过渡模型，该模型较传统方法能够更合理地表达各种状态之间的相互转换，且不依赖于人为参数的选择，兼有正确性、高效性和普适性的特点；另外还将表面织构引入到单个含间隙铰接副的润滑分析中。.该研究工作对含间隙铰接副机械系统的摩擦学和动力学分析与设计具有普遍指导意义，相关研究成果亦可应用到任意的包含间隙铰接副的机构，如航空航天器件、工业机器人等。