计及活塞销间隙的内燃机曲柄连杆机构动力学分析

基于活塞销与衬套间隙的冲击函数模型和计算多体动力学的方法,研究了活塞销间隙对内燃机活塞-连杆-曲轴运动系统动力学特性的影响。使用冲击函数方法构建了活塞销与衬套的间隙碰撞模型,建立了某单缸内燃机活塞、连杆和曲轴的三维实体模型及内燃机活塞-连杆-曲轴的多体动力学模型。在刚性和弹性两种不同连杆模型下,通过分析活塞运动的速度和加速度,以及活塞销的运动轨迹等研究了活塞销间隙产生的碰撞特性对系统动力学行为的影响。结果表明,间隙的存在对该运动机构有显著影响,在上下止点附近活塞的加速度出现许多由碰撞产生的峰值。     

索牵引并联机器人中变长度柔索的动力学分析

现有索牵引并联机器人研究中大多将柔索处理成简单的索杆单元,没有充分考虑柔索的动力学特性对末端执行器定位精度的影响。为此,本文提出了一种柔索长度慢速变化时的索牵引并联机器人动力学模型。文中首先推导了描述变长度柔索动力学特性的偏微分方程,空间离散化后采用有限差分法将其转换成普通微分方程。然后,根据末端执行器与柔索之间的动力耦合关系,得出索牵引并联机器人的动力学模型,模型中同时包含有柔索和末端执行器的自由度。最后,给出两个算例来验证本文模型的有效性,同时说明工作空间巨大时考虑柔索动态特性的必要性。     

基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响

为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。     

柔性多体系统碰撞动力学研究

摘 要：针对工程中常见的柔性多体系统碰撞过程,详细的分析了柔性多体系统的接触碰撞条件,基于非线性等效弹簧阻尼模型建立了柔性体的碰撞模型,并基于库仑摩擦模型考虑两体碰撞时的切向摩擦作用。在此基础上把柔性体碰撞模型综合到柔性多体系统动力学方程中,建立了含接触碰撞的柔性多体系统动力学模型,此模型适用于一般含碰撞的多体系统。仿真算例以柔性梁在重力场中的接触碰撞过程为对象进行动力学仿真,研究柔性梁碰撞前、碰撞过程及碰撞后的动力学特性和动态响应,以及碰撞过程碰撞力的变化规律,并与刚性梁在重力场中的接触碰撞过程进行详细的比较和分析,结果表明基于非线性等效弹簧阻尼模型建立的柔性多体系统碰撞动力学模型可以有效的分析接触碰撞过程的动力学性能,验证了模型的有效性和正确性。     

低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统的刚-柔-热耦合动力学建模

传统地考虑热效应的卫星-太阳帆板动力学模型只考虑太阳直接辐射热流的影响,仅适用于高轨道运行的航天器。以低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统为研究对象,提出了一种通用的分析其在宇宙空间各种热流作用下刚-柔-热耦合动力学特性的建模方法。考虑太阳帆板热变形、卫星的姿态运动和太阳帆板受到的各种辐射的热流密度之间的耦合关系,分别给出了太阳直接辐射热流、地球红外辐射热流以及地球反照辐射热流的计算公式。将系统视为中心刚体-悬臂梁模型,首先建立了悬臂梁的热传导方程,然后通过引入考虑热应变的应力-应变关系,用虚功原理建立了卫星-太阳帆板多体系统的考虑热效应的动力学方程,对热传导方程和动力学方程联立求解。对低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统进行了数值仿真分析,分析了考虑地球红外辐射和地球反照辐射热流对热振动的影响,以及考虑刚-柔-热耦合效应对系统动力学特性的影响,并给出了系统热振动稳定时特征参数的范围。     

基于硅油减振器的螺纹旋风铣削刀盘系统抑振研究

螺纹旋风铣削的多刀具断续切削方式将加剧刀盘与工件间的交互冲击,引起刀盘系统的扭振,影响加工质量。以旋风铣削刀盘系统为研究对象,针对其在周期性切削力矩下发生扭振的特点,提出在铣削刀盘上安装硅油式减振器的抑振方案,进而建立基于硅油式减振器的旋风铣削刀盘系统动力学模型,对模型进行幅频特性分析,并对有无减振器两种方案下旋风铣削刀盘系统的动力学响应特性进行分析,以研究硅油式减振器对旋风铣削刀盘系统的减振效果。结果表明：硅油式减振器可有效地减小旋铣刀盘系统在不同切削频率下的振幅。当系统发生共振时,基于硅油式减振器的旋铣刀盘系统的响应幅值可降至7.10×10-4rad,降低了刀盘系统的扭振对螺纹工件加工质量和刀具寿命等的影响。     

某轿车排气系统振动分析

联合有限元软件与AVL-Excite软件,对某轿车排气系统进行模态与强迫振动分析。首先利用有限元软件对排气系统做自由模态分析,初步分析其吊耳点布置合理与否。然后利用有限元软件对排气系统进行自由度缩减,提取其质量矩阵、刚度矩阵、主节点自由度信息及模态信息,整合到内燃机-排气系统多体动力学模型中,对排气系统进行受迫振动分析,充分考虑其弹性变形与模态共振对振动响应的影响。得出排气系统任一点上的振动响应及排气管路长度上的振动传递率,考察其振动耦合特性;为排气系统的空间走向和结构设计提供强有力的依据。     

基于柔性多体动力学的瓦楞成型系统建模与仿真研究

针对某型号瓦楞机的瓦楞成型系统,基于自主研发的多体动力学求解程序,建立其刚柔耦合动力学模型。其中张力辊、瓦楞辊等主要支撑辊简化为刚体模型;传送带由36自由度绝对节点坐标四边形壳单元划分网格,并考虑其树脂材料的正交各向异性特征;此外,传送带与支撑辊之间的接触采用赫兹碰撞模型和点-面检测方法描述。利用该模型,计算了传送带的偏心位移,传送带表层应力场等动响应。仿真表明:基于绝对节点坐标法建立的瓦楞成型系统的多体动力学模型,可为瓦楞机传送带的动力学行为和控制研究提供一种新的分析方法。     

多管火箭总传递方程自动推导和动力学可视化仿真方法研究

多管火箭系统总传递方程的自动推导和动力学快速计算是多管火箭系统动力学设计的关键。针对某新型多管火箭,建立多管火箭多体系统发射动力学模型及其拓扑结构,根据符号约定和各元件传递方程,建立了某多管火箭系统总传递方程自动推导方法,提高了多管火箭多体系统建模效率和程式化水平。建立了多管火箭系统动力学可视化仿真系统,实现了新型多管火箭动力学快速可视化仿真,并得到了试验验证。为新型多管火箭动力学设计提供了理论基础。     

正交面齿轮传动非线性振动特性分析

以正交面齿轮传动系统为研究对象,建立了包含时变啮合刚度、啮合阻尼、齿面误差、齿面摩擦、齿侧间隙、轴承间隙等因素的弯-扭耦合非线性动力学模型,采用4-5阶变步长Runge-Kutta法对系统的无量纲动力学微分方程组进行求解。计算结果表明：在不同转速时系统会出现单周期非谐响应、多周期次谐响应、拟周期响应及混沌响应,并伴随着跳跃现象;随着负载转矩的增大,系统响应呈现混沌-多周期次谐-单周期非谐的变化趋势,轻载时齿轮副易出现单边和双边冲击现象,当载荷增大到一定程度后齿轮副处于无冲击状态;摩擦系数较小时,对系统非线性振动特性影响不大,当其逐渐增大时,系统运动状态由单周期经倍周期分叉进入混沌运动     

Tribological Behavior of Ti3SiC2—based Material

The wear and friction properties of Ti3SiC2-based materials were studied using the pin-on-disc method. The friction coefficient of Ti3SiC2-based material was not very sensitive to normal load, the steady state value, μ, increased from 0.4 to 0.5 when the normal load increased from 7.7 N to 14.7 N. The wear volume for Ti3SiC2 disc increased with increasing normal load or sliding distance in the tests. The average wear rate of Ti3SiC2-based material was 9.9×10-5 mm3/Nm. The debris on the Ti3SiC2 disc was essentially made up of Ti3SiC2 and steel pin materials, while the debris on the steel sliders was generally pin material. The wear mechanism was concluded as the fracture and delamination of Ti3SiC2-based materials followed by adhesive wear of steel sliders.     

Effects of surface preparation on the friction and wear behaviour of silicon nitride/silicon carbide sliding pairs

Silicon carbide and silicon nitride specimens were fabricated to provide three different surface finishes. They were subjected to sphere-on-flat (pin-on-disc) testing in order to determine the interaction of load, velocity, disc surface finish, and material effects on unlubricated friction and wear. Tests were conducted in air using applied loads of 1 and 10N, velocities of 0.1 and 0.5 ms^–1, and surface preparations of 150-grit grinding, 220-grit grinding and fine polishing. The test duration was kept constant at 1000m of sliding distance for the pin specimen. In half the tests silicon nitride was the pin material and silicon carbide was the disc material. For the other half, the pin and slider materials were reversed. There was a much greater effect of normal force on steady-state friction coefficient than of either surface finish or material pairing. Increasing the sliding velocity raised the friction coefficient for both material pairings and for all surface roughnesses. Higher wear resulted when the velocity increased, but the effect of surface finish on wear ranged from none in some cases to about a factor of 10 in other cases. A trend of increasing run-in period duration with increasing smoothness was observed. The results are interpreted in terms of material properties, the Lim and Ashby model, and the friction force-velocity product.     

盘式制动片的特征参数对制动噪声的影响

构建了一个质量集中参数模型来研究耦合摩擦力对产生制动啸叫的影响，从理论模型复域特征值的研究可以揭示出产生啸叫噪声的本质原因。利用构建的质量集中参数模型对盘式制动片的各项特征参数进行了研究，由此推导出获得稳定频域响应的概念设计思路，对制动系统的有限元优化设计提供了很好的途径。     

鼓式制动器摩擦尖叫的复模态模型与影响因素研究

针对某型号鼓式制动器,应用ABAQUS软件建立了摩擦尖叫有限元模型,通过零部件自由模态试验和制动尖叫台架试验验证了模型的正确性。在此基础上,进行了制动蹄摩擦衬片弹性模量、制动压力和摩擦系数对摩擦尖叫倾向性的影响分析;引入制动鼓与制动蹄间的接触压力分布特性,结合复模态理论,探索了前述因素对摩擦尖叫的影响的内在机制。     

TiNi形状记忆合金的滑动摩擦噪声特性研究

利用销-盘磨损试验机以及振动加速度传感器和精密声级计,研究了TiNi形状记忆合金在不同相结构下的滑动摩擦噪声特性.结果表明:由于磨损造成摩擦表面形貌恶化,使摩擦力值增大,且波动剧烈,急剧变化的摩擦力对摩擦系统不断输入能量,引起系统产生自激振动,向环境中辐射噪声.母相时,TiNi合金阻尼性能相对马氏体较低,只能通过良好的耐磨性而保持磨损面形貌恶化速度较慢,从而延缓摩擦啸叫的产生;母相/马氏体相共存时,合金有很高的阻尼性能,具有很好的减振降噪性能;马氏体态时由于TiNi合金销试样接触刚度下降,导致系统失稳,产生激振,引发高频噪声.     

轮轨横向滑动稳定性对曲线啸叫噪声的影响

车轮相对于钢轨发生横向滑动时,轮轨接触面上的摩擦力变化会引起曲线啸叫噪声。因此首先建立了车轮的状态空间模型和轮轨接触摩擦模型,对轮轨横向接触过程采用4阶Runge-Kutta法进行了时域分析,研究了如横向滑动速度、接触力、阻尼等因素对滑动过程稳定性的影响,并结合实例计算进行了验证,最终得出结论:轮轨横向滑动过程出现不稳定的主要原因是接触面间摩擦系数变化引起的自激振动;当车轮阻尼大于等效阻尼临界值时会使滑动过程稳定;轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

Characterization and wear behavior of plasma-sprayed Al2O3 and ZrO25CaO coatings on cast iron substrate

Plasma spraying is one of the methods used for combating wear. Despite of its wide spread industrial use, little is known about the basic friction behavior and mechanism by which such coatings wear. In this work, the abrasive wear resistance of plasma-sprayed ceramic coatings on cast iron substrate has been investigated through pin-on-disc test. It was found that the coefficient of friction and wear affected mainly by splats and porosity, surface roughness, and coating thickness. The coefficient of friction is found to be more significantly affected by load than by other test parameters. This work also includes the characterization of coatings.     

锤击脉冲力对摩擦尖叫噪声的激励作用

大量的试验发现对摩擦系统施加的锤击脉冲力能够激励出摩擦尖叫噪声。对这种由锤击脉冲力激励出的摩擦尖叫噪声进行时频分析,发现它与摩擦系统自激产生的摩擦尖叫噪声具有相同的时频特性。为了找到锤击脉冲力激励出摩擦尖叫噪声的原因,进行了更深入的试验研究,结果表明摩擦尖叫噪声与磨屑有十分密切的关系,同时发现锤击脉冲力会使摩擦系统产生更多磨屑,大量磨屑的突然产生可能是导致锤击脉冲力激励出摩擦尖叫噪声的原因。     

结合面静摩擦系数的统计模型

基于粗糙表面形貌的统计参数,综合考虑微凸体的完全弹性、弹-塑性和完全塑性三种变形机制,建立了结合面静摩擦系数的统计模型。该模型反映了静摩擦系数是由接触材料性能参数、表面形貌统计参数以及法向载荷共同决定的。通过仿真研究了微凸体高度的随机分布、塑性指数以及法向载荷等因素对静摩擦系数的影响规律。结果表明,修正的指数分布相比简单的指数分布对高斯分布有着较好的近似,且预测值近似等于高斯分布预测结果的均值;静摩擦系数随着塑性指数的增大而减小且变化趋缓;法向载荷增大时,静摩擦系数呈现减小的趋势,但在双对数坐标系下最大静摩擦力仍与法向载荷呈线性正比的关系。     

流变成形压力对Al2Y/AZ91镁基复合材料摩擦磨损行为的影响

采用销盘式摩擦副,在转速为100 r/min干摩擦条件下,结合OM、SEM结果,考察了不同载荷与成形压力对流变成形Al2Y/AZ91镁基复合材料(质量分数2%Y)摩擦磨损性能的影响,并探究耐磨性与材料显微组织、力学性能之间的关系.研究表明:在相同的实验载荷下,随着制备复合材料流变成形压力的增加,材料的磨损质量和摩擦系数减少,本实验条件下最大成形压力为100 MPa时磨损量和摩擦系数最小,摩擦磨损性能较佳;对于在相同成形压力下制备的镁基复合材料,磨损质量随着载荷的提升而增大,而摩擦系数有所降低.当载荷较小时,Al2Y/AZ91镁基复合材料的磨损机制以磨粒磨损为主;随着载荷的增大,磨损机制逐步发生转变;当载荷较大时,磨损机制以剥层磨损为主.