[发明专利]基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法

说明书

本发明公开了一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法，包括如下步骤：S1、建立曲柄滑块机构的多体动力学模型；S2、建立铰链位置与机构运动输出之间的运动学映射关系；S3、采用B样条曲线作为轴套的初始接触轮廓；S4、形成加厚曲面；S5、加厚曲面的横截面外径始终保持为直径是轴套外径的圆形；S6、定义接触力；S7、计算铰链模型上的磨损；S8、设置外推系数L；S9、几何更新；S10、判断；本发明考虑了铰链的非均匀磨损效应，使铰链的磨损过程更加符合实际；利用B样条曲线封闭N个控制点来拟合轴套与销轴接触的几何轮廓，让轴套磨损后的外形保持光滑连续。本发明可以实现铰链非均匀磨损仿真流程的自动化，节省了时间成本。

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，具体涉及一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法。

背景技术

铰链作为机构的重要组成部分，在传递载荷和运动规律上发挥着关键作用。铰链的间隙会影响机构的性能，间隙的存在会在机构中产生冲击载荷、振动，同时降低机构的运动精度并引发运动不确定性，改变机构的动力学特性，使机构的响应变得无序，同时铰链中销轴和轴套相对运动引发的磨损，会逐渐增大铰链的间隙，导致机构功能退化，影响机构的可靠性和运行安全。为了评估铰链磨损对机构功能的影响、监测铰链的主要磨损位置和使用寿命、实现机构的可靠性增长，有必要建立铰链的磨损预测模型。

针对有关磨损预测的问题，中国专利《用于平头微铣削刀具磨损预测和加工参数优化的通用方法》，申请号为201911330143.8，发明了能预测不同参数、不同加工材料及不同切削长度情况下的刀具磨损量的方法。但是没有考虑刀具磨损区域的非均匀磨损现象。中国专利《一种影响机构运动精度的薄弱铰链确定方法》，申请号为201811008764.X，考虑了铰链磨损对机构运动精度的动态影响，通过计算各个铰链的位置指标和精度指标，判断出机构中薄弱的铰链。但是其指标的判别方式是使用各个铰链的最大许用磨损深度，而没有考虑机构中各个铰链的实时磨损深度，并且没有考虑铰链非均匀磨损的影响。中国专利《一种在线装载机铰链销轴磨损程度评估方法》，申请号为202010128915.6，方法是将装载机的工作装置有限元模型导入到有限元分析软件中，可得到铰链销轴的径向磨损位置、径向磨损状态分布及最大径向磨损量。缺点在于：使用有限元方法操作复杂、计算成本高。

中国专利《一种复杂曲面工件磨削过程中的砂带磨损预测方法》，申请号为202011514932.X，该发明解决了传统方法无法预测砂带非均匀磨损的问题，可实现砂带磨削过程中磨损系数分布的变化预测。该发明存在的问题是，将砂带沿宽度离散成若干微元，使用平均压强来计算各微元的磨损量，无法保证砂带的磨损表面光滑连续。中国专利《一种基于非均匀间隙油膜的滑靴副偏磨磨损模型》，申请号为201711464363.0，采用将滑靴副偏磨润滑油膜离散求解的思想，把非均匀分布的油膜划分为多个近似为平行分布的小油膜区间，在每个区间对磨损量进行单独求解，然后积分获得滑靴副单个周期的偏磨磨损量。其不足之处在于，使用平均油膜厚度计算每个网格区间的磨损量，将会导致磨损计算精度不高。

铰链的磨损是一个逐渐累积的过程，而由铰链磨损引起的机构功能失效却会在某一瞬间突然发生，一旦铰链的磨损量超过阈值，机构功能就很有可能会受到严重影响，甚至功能丧失，因此需要建立一种铰链磨损的预测方法。由于铰链的磨损是非均匀的，铰链在某一区间的磨损速率必然会比仅考虑铰链均匀磨损时的磨损速率更快，而该区间的磨损深度就会更快的达到阈值，因此提出铰链非均匀磨损的预测并研究这种磨损方式对机构运动输出的影响是非常有必要的。

而目前，尚没有人提出一套完整的铰链非均匀磨损预测的流程，在预测铰链不同位置磨损深度的同时使得铰链磨损后的几何外形保持光滑连续。

为此，我们提出一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法，以解决上述背景技术中提到的问题，能够对机构的单个铰链甚至多个铰链建立非均匀磨损模型，从而预测各个铰链的使用寿命、主要磨损位置的磨损深度分布以及对机构运动输出的影响。

发明内容