干摩擦誘發(fā)自激振動(dòng)系統(tǒng)的非光滑動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、摩擦在自然界、日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中幾乎是無處不在的。干摩擦通常起到消耗系統(tǒng)能量和阻止相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用，但是在某些情況下干摩擦?xí)鹣到y(tǒng)的自激振動(dòng)，稱之為摩擦自激振動(dòng)。摩擦自激振動(dòng)導(dǎo)致表面磨損、疲勞損傷等問題，可能還會(huì)誘發(fā)摩擦噪音，其中制動(dòng)噪音是摩擦自激振動(dòng)的一個(gè)典型工程問題。至今，人們對(duì)摩擦自激振動(dòng)機(jī)理和振動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)并不充分，干摩擦自激振動(dòng)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題。本文針對(duì)非線性和非光滑摩擦自激振動(dòng)問題，基于現(xiàn)象學(xué)理論模型，從理

2、論研究角度出發(fā)，建立了考慮多種非線性因素包括立方非線性接觸剛度、非光滑粘-滑振動(dòng)、分離或碰撞的離散和連續(xù)體理論模型，實(shí)現(xiàn)了含多類非光滑摩擦系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值求解，揭示了非線性離散和連續(xù)耦合摩擦系統(tǒng)的自激振動(dòng)特性。另外，考慮將基于現(xiàn)象學(xué)理論模型的理論研究拓展到基于真實(shí)摩擦系統(tǒng)，為實(shí)施針對(duì)大型復(fù)雜摩擦系統(tǒng)（真實(shí)摩擦系統(tǒng)）非線性和非光滑振動(dòng)研究，本文進(jìn)行了初步理論研究，提出了針對(duì)復(fù)雜摩擦系統(tǒng)的模型縮減策略，并進(jìn)行了理論驗(yàn)證和相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。<

3、br>　　本文主要工作為:
　　1.針對(duì)摩擦自激振動(dòng)中非光滑和不連續(xù)振動(dòng)頻繁出現(xiàn)的現(xiàn)象，以及需要確保非光滑振動(dòng)計(jì)算準(zhǔn)確度這一關(guān)鍵問題，本文（第二章）將二階微分方程的龍格庫塔法和二分法相結(jié)合提出了針對(duì)包含非光滑和不連續(xù)摩擦系統(tǒng)的變步長(zhǎng)數(shù)值算法，并求解了經(jīng)典的單自由度滑塊-滑帶系統(tǒng)非光滑粘-滑振動(dòng)問題，驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性。
　　2.針對(duì)摩擦自激振動(dòng)理論研究中，通常假設(shè)接觸為線性且忽略部件間振動(dòng)分離的問題，本文（第三章）建立了考慮

4、非線性接觸剛度、粘-滑振動(dòng)以及分離-再接觸三類非線性的兩自由度滑塊-滑帶動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)該非線性系統(tǒng)的局部穩(wěn)定性、時(shí)域及頻域振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。復(fù)特征值分析表明非線性剛度和預(yù)壓力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有并非單一的復(fù)雜影響。非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析顯示，摩擦振動(dòng)中確實(shí)會(huì)發(fā)生分離和再接觸現(xiàn)象，忽略分離現(xiàn)象可能會(huì)低估了系統(tǒng)振動(dòng)幅度，并且導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響。此外，通過對(duì)本文所建立模型瞬態(tài)響應(yīng)的頻域結(jié)果和穩(wěn)定性分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從頻域角度出發(fā)，論

5、證了非線性摩擦振動(dòng)研究中考慮分離的必要性。最后，在該非線性滑塊-滑帶模型的接觸面引入庫倫摩擦力，得出了在含有非線性接觸剛度、分離和面內(nèi)粘-滑振動(dòng)等多類型非線性和不光滑振動(dòng)時(shí)，模態(tài)耦合不穩(wěn)定系統(tǒng)具有復(fù)雜多樣的振動(dòng)特性。
　　3.本文（第四章）將分離、再接觸和碰撞引入彈性板-移動(dòng)滑塊理論模型摩擦振動(dòng)研究中，給出了含摩擦的連續(xù)系統(tǒng)在考慮粘-滑振動(dòng)、分離-再接觸效應(yīng)及碰撞時(shí)的理論分析方法及數(shù)值算法。數(shù)值分析結(jié)果表明，滑塊系統(tǒng)水平方向的粘-

6、滑振動(dòng)在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下就夠激勵(lì)起彈性板的橫向不穩(wěn)定振動(dòng)，并且振動(dòng)中伴隨有短暫分離現(xiàn)象。利用不同參數(shù)下考慮接觸分離和忽略分離的龐伽萊圖，揭示了系統(tǒng)振動(dòng)的多樣性以及考慮分離的重要性，研究了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)滑塊面內(nèi)振動(dòng)和板橫向振動(dòng)的影響。通過時(shí)頻分析，揭示了該系統(tǒng)振動(dòng)頻率時(shí)變特性，指出滑塊和板的分離與再接觸是高頻振動(dòng)的關(guān)鍵原因。該工作一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)為:理論分析中忽略分離現(xiàn)象可能會(huì)得出截然不同的動(dòng)力特性甚至造成錯(cuò)誤結(jié)果。
　　4.基于模態(tài)綜合法，針

7、對(duì)摩擦系統(tǒng)含自然接觸面及切向摩擦力這一特性，本文（第五章）提出了復(fù)雜摩擦系統(tǒng)的模型縮減策略，縮減實(shí)例及初步試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。首先，完成了對(duì)含線性接觸的多自由度理論摩擦系統(tǒng)的模型縮減，驗(yàn)證了該縮減策略的有效性，理論上分析了不同參數(shù)及縮減階數(shù)對(duì)縮減模型穩(wěn)定性分析結(jié)果的影響，得出了縮減模型可以較好地保留原模型特征根分叉以及不穩(wěn)定頻率特征這兩類重要?jiǎng)恿W(xué)特性。隨后，基于一個(gè)真實(shí)摩擦裝置的有限元模型和試驗(yàn)結(jié)果，提出了適用于含直接接觸的真實(shí)摩擦系統(tǒng)的縮