高功率密度摩擦传动部件粗糙界面跨尺度耦合机制与灾变阈值研究
批准号：
52105084
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
吴健鹏
依托单位：
学科分类：
机械动力学
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
吴健鹏
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
湿式离合器是陆军特种车辆传递动力、保证机动性和服役能力的核心部件。高功率密度离合器摩擦元件变形失效问题是制约我国重型军用车辆可靠性与持续作战能力的主要因素，也是阻碍各类传动装置性能提高的瓶颈问题。湿式离合器摩擦元件多场耦合机理和损伤演变机制极为复杂，是机械传动领域相关研究的焦点和难点。本项目开展如下研究：1、针对高能传动部件摩擦负载特性，表征双粗糙摩擦界面多孔隙微结构和微凸体的接触行为，分析接触热力学特性和内部流体润滑特性，探究界面细观闪点温度分布和形貌更迭规律；2、结合界面细观接触热力学模型与等效验证系统，量化表达湿式摩擦副微观行为与宏观摩擦转矩之间的映射关系，揭示摩擦界面跨尺度多场耦合机制；3、基于多场耦合模型参数和加速寿命试验数据，构建数模联动界面状态表征模型，提出基于深度卷积神经网络算法的多参数灾变阈值制定方法，为传动系统性能优化和重型装备可靠性提升提供支撑。
英文摘要
The deformation and failure of high-power-density clutch friction components are the main factors restricting the reliability and sustained combat capability of heavy military vehicles in China. This is also the bottleneck problem that hinders the performance improvement of all kinds of automatic transmissions. The multi-field coupling mechanism and damage evolution mechanism of friction components are very complex, which are the focus and difficulty in the field of mechanical transmission. The following researches are carried out in this project: 1. According to the friction load of high-energy transmission components, the contact behavior of porous microstructure and asperity with double rough friction interface is characterized. The contact thermodynamic characteristics and internal fluid lubrication characteristics are analyzed to explore the flash temperature distribution and morphology change rule. 2. Based on the interface contact thermodynamic model and the equivalent verification system, the corresponding relationship is quantitatively expressed between the micro behavior of wet friction pair and the macro friction torque, and the cross-scale multi-field coupling mechanism is revealed for the friction interface. 3. Based on the multi-field coupling model parameters and accelerated life test data, the interface state characterization model is constructed with digital analog linkage. A multi-parameter catastrophe threshold formulation method is proposed based on deep convolution neural network algorithm to provide support for transmission system performance optimization and heavy equipment reliability improvement.
本项目针对重型特种车辆传动系统中湿式离合器摩擦部件在高功率密度、高转速和高能量密度工况下的工作特性，开展了摩擦元件粗糙摩擦界面的细观接触特性、多物理场耦合机理、损伤演变机制、灾变阈值、加速寿命试验、健康度评估及剩余寿命预测等研究。研究旨在提升我国陆军装备的可靠性与持续作战能力，并为民用汽车行业解决高功率密度摩擦传动系统的瓶颈问题。本项目主要研究内容如下：.1、摩擦界面多孔隙微结构及单对微凸体接触过程研究：构建了考虑粗糙表面微观接触的跨尺度交互仿真模型，分析摩擦元件的微结构，研究了压力和速度对摩擦界面温度的影响，揭示了微纹理深度和半径对散热的作用。结果表明，跨尺度模型比宏观热力耦合模型更为可靠，预测误差为3.71%。.2、湿式摩擦副热-机-流-固多物理场耦合机制研究：基于微观接触热力学模型，分析了非均质材料摩擦界面的温度场、应力应变场与润滑流场的关联。提出的机理-数据混合驱动离合器扭矩模型较传统模型减少了20.04%的平均绝对误差，发现转速下降与油温上升均导致突变节点扭矩下降。.3、摩擦界面失效机制与灾变阈值研究：研究铜基粉末冶金材料的损伤-自愈机制，并采用PSO-LSTM模型预测材料自愈特性，平均相对误差为4.35%。结合加权模糊综合评价方法，分析湿摩擦部件的三阶段动态退化。进一步研究了工况参数对湿式离合器摩擦部件三维微界面形态的影响，为优化设计和提高系统可靠性提供数据支持。.4、加速寿命试验及摩擦磨损试验研究：通过液粘离合器加速寿命测试获得性能退化数据，建立基于改进博弈论组合赋权的模糊综合评估模型。结果表明，该模型平均相对误差为16.5%。通过湿式离合器加速寿命试验，验证了湿式离合器摩擦部件退化评估模型，该模型误差为9.35%。.5、摩擦元件健康度评估及剩余寿命预测研究：针对特种车辆的综合传动装置性能评估，提出了数据驱动和专家意见融合综合传动机械系统性能评价方法。此外，提出了一种基于多阶段Wiener退化模型的RUL预测方法，引入了深度学习算法构建数模联动框架，使RUL预测的平均相对误差降低到1.82h。.本项目通过多物理场耦合分析与灾变阈值及剩余寿命预测模型的建立，推动了摩擦传动系统进一步优化。该研究成果将为我国高端装备制造业和新能源汽车技术的发展提供重要技术支持。
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