一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法，属于摩擦学领域。包括以下步骤：在时域上进行离散化；在空间上进行离散化；对原模型采用复特征值分析方法，得到初始的振动噪声预测结果；采用时域动态分析法，对结果文件采用从外部进行特征参数提取；对磨损深度和磨损方向进行不确定性模拟；根据结果更新有限元模型；判断是否达到预设总分析时长，若未达到则利用新有限元模型进行循环，若已达到总分析时长则完成分析。本发明专利技术拥有自动循环计算功能，在不失精确性的条件下仍然简单可靠；同时弥补了原有预测方法无法实时预测和未考虑摩擦界面磨损的缺陷。本发明专利技术可以广泛用于摩擦界面的振动噪声预测中。

A prediction method of friction vibration noise considering interface uncertainty and time-varying

【技术实现步骤摘要】
一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法
本专利技术涉及一种摩擦振动噪声的预测方法，特别的是一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法。
技术介绍
摩擦振动噪声是由两个相互接触的物体在发生相对运动时引起其自激振动并向外辐射声压的一种现象。在众多中机械系统，摩擦引起的振动噪声严重影响了机械系统的精度、可靠性以及使用寿命，同时引起的噪声污染对人类、社会和生态环境造成了极大的危害。但由于其随机性、难预测性、影响因素多等特点，至今仍未有一种方法能完全消除摩擦引起的振动噪声。如今，众多研究从结构改变、材料选择和工况调整等角度来尝试改善和消除摩擦振动噪声，但摩擦学实验存在时间成本大、经济成本高等缺点，因此有必要提出一种摩擦振动噪声的预测方法，减少研究的时间和经济成本。现有技术中，复特征值分析作为一种摩擦振动噪声的预测方法，得到了广泛的使用，该方法能够大致的预测出系统可能产生的摩擦振动的频率，但作为一种线性方法，由于摩擦过程中大量非线性因素的存在，该方法往往会导致结果的过度预测或欠预测。另一方面，摩擦接触界面的磨损随着摩擦过程必然出现并且随着时间的推移而改变，并且已有大量文献证明摩擦接触界面形貌特征对摩擦振动噪声有重要的影响。而现有的摩擦振动噪声实时预测方法通常只能在表面完整未受磨损时进行预测，并不能跟随时间的推移而进行跟踪预测。同时，摩擦界面的磨损作为一种存在大量非线性因素的现象，现有的摩擦振动预测方法尚未将其作为影响因素列入模拟范围。同时，现有的摩擦接触界面的磨损计算方法通常以线速度、接触压力、节点位置和温度等因素作为自变量进行计算得到磨损量及方向，但通常难以对材料局部的分布、硬度等因素进行考虑，这些不确定性的因素会对接触面上各点的磨损深度和方向造成影响。如果能在振动噪声的预测中考虑磨损表面的变化，那么就能得到更为准确的预测结果，为后续的工作提供依据，奠定基础。
技术实现思路
针对现有技术中振动噪声的预测中未考虑磨损表面的变化，从而影响预测结果的准确性的问题，本专利技术提供一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法，其目的在于：将表面磨损造成的摩擦界面随时间的变化加入模拟范围，能够更加准确的预测摩擦过程中的振动噪声现象，精确地得到其频率以及其强弱关系。在摩擦振动噪声预测方法领域，尚无与本专利技术类似的方法与流程。本专利技术采用的技术方案如下：一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法，包括如下步骤：步骤1.针对实际的摩擦系统简化并建立有限元模型；步骤2.设定计算时长T，并将T平均离散化为N段，初始的循环次数记为0；步骤3.对步骤1建立的初始状态下的有限元模型进行复特征值分析，对摩擦系统中的初始表面的摩擦振动噪声结果进行预测；步骤4.对前步骤所得有限元模型进行时域动态分析计算；步骤5.选取磨损公式，在主程序中调用子程序对步骤4的动态分析计算结果进行信息提取，提取信息的种类根据所述磨损公式所需值来确定；步骤6.将步骤5提取的信息带入磨损公式计算得到磨损方向及深度；步骤7.对步骤6计算得到的磨损方向及深度进行蒙特卡洛模拟得到新的磨损方向及深度；步骤8.根据步骤7的得到的新的磨损方向及深度更新步骤4所采用的有限元模型中的摩擦界面的节点坐标，生成新的有限元模型；步骤9.对步骤8得到的新的有限元模型进行复特征值分析，对摩擦振动进行预测；步骤10.使循环次数加1，在循环次数达到N的情况下结束摩擦振动噪声的实时预测；在循环次数未达到N的情况下，将步骤8得到的新的有限原模型代入步骤4中，重复进行步骤4至步骤9的操作。优选地，步骤1中，对所述摩擦系统建立有限元模型的范围包括摩擦界面和摩擦界面周边的零件。优选地，步骤2中，时域上的离散化方法为平均处理，离散化后的循环次数N，每次计算步长时间t0和总时长T满足以下关系：其中每次计算步长时间t0应远小于总时长T。优选地，采用的复特征值分析方法满足以下公式：(λ2[M]+λ[C]+KNS){φ}＝0，式中，[M]为系统的质量矩阵，[C]为系统的阻尼矩阵，[KNS]为系统的非对称刚度矩阵，λ为特征值，{φ}为其对应的特征向量；得到的复特征值计算结果表示为：λ＝α+jω，式中，ω为特征值的虚部，代表振动频率，α为特征值的实部，代表该振动频率的稳定性；实部大于0，说明对应的振动频率不稳定，实部越大说明系统在对应的振动频率下产生不稳定振动噪声的倾向越大。优选地，步骤6中，有限元模型中摩擦界面上任一节点上磨损方向的确定方法为该节点与相邻节点所组成的向量的法向量之和，磨损方向w用公式表示为：其中，磨损节点表示为m0，磨损节点附近有j个相邻节点，分别表示为m1，m2,…,mj，磨损节点与相邻节点所组成的向量分别为所述向量所对应的法向量为n1，n2,…,nj，以与接触压力法向夹角小于180为正方向。优选地，磨损深度计算公式的通用形式表述为：(h,θ)＝f(s,p,t,…)，其中，h为磨损深度，θ为磨损方向，s，p，t及省略表示的参数为磨损公式中的变量。磨损深度的计算方法与影响变量可由用户自行定义，可选择但不局限于现有的磨损公式，用户可根据实际情况编写或改变磨损公式及其内在变量。优选地，步骤5中，从结果文件中提取信息的种类根据磨损公式所需值来确定，包括节点坐标、温度场和接触压力。优选地，步骤7中，将步骤6中得到磨损深度和方向的值进行随机化处理，生成附近的随机值作为新的磨损深度和方向；随机磨损深度和方向的获得方法为用步骤6中得到的磨损深度和方向带进行Monte-Carlo处理，计算公式表示为：其中，Var[]为样本方差,E[]为均值/原始值，h为步骤6中得到的磨损深度，θ为步骤6中得到的磨损方向，hnew为新的磨损深度，θnew为新的磨损方向。优选地，步骤8中新的有限元模型的摩擦界面的节点坐标由以下计算公式得到：(x1,y1,z1)＝(x0,y0,z0)+(xh,yh,zh)其中(x1,y1,z1)为新的有限元模型的摩擦界面的节点坐标，(x0,y0,z0)为步骤4所采用的有限元模型中的摩擦界面的节点坐标，(xh,yh,zh)为各个方向上的磨损深度，为该节点上磨损深度的向量表述形式，并有：优选地，步骤8中有限元模型的更新方法通过将原命令流文件中的接触面节点坐标进行替换实现。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术在进行摩擦振动噪声预测的过程中考虑了摩擦过程中表面形貌的变化，使得预测结果能更接近真实情况；2)本专利技术在原有的静态预测方法上考虑了摩擦振动噪声的时变特性，通过随时间改变摩擦接触面，能对不同磨损情况下的摩擦振动噪声进行预测，改善了原复特征值方法只能预测初始状态下摩擦振动噪声的缺陷；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1.针对实际的摩擦系统简化并建立有限元模型；/n步骤2.设定计算时长T，并将T平均离散化为N段，初始的循环次数记为0；/n步骤3.对步骤1建立的初始状态下的有限元模型进行复特征值分析，对摩擦系统中的初始表面的摩擦振动噪声结果进行预测；/n步骤4.对前步骤所得有限元模型进行时域动态分析计算；/n步骤5.选取磨损公式，在主程序中调用子程序对步骤4的动态分析计算结果进行信息提取，提取信息的种类根据所述磨损公式所需值来确定；/n步骤6.将步骤5提取的信息带入磨损公式计算得到磨损方向及深度；/n步骤7.对步骤6计算得到的磨损方向及深度进行蒙特卡洛模拟得到新的磨损方向及深度；/n步骤8.根据步骤7的得到的新的磨损方向及深度更新步骤4所采用的有限元模型中的摩擦界面的节点坐标，生成新的有限元模型；/n步骤9.对步骤8得到的新的有限元模型进行复特征值分析，对摩擦振动进行预测；/n步骤10.使循环次数加1，在循环次数达到N的情况下结束摩擦振动噪声的实时预测；在循环次数未达到N的情况下，将步骤8得到的新的有限原模型代入步骤4中，重复进行步骤4至步骤9的操作。/n...

【技术特征摘要】
1.一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.针对实际的摩擦系统简化并建立有限元模型；
步骤2.设定计算时长T，并将T平均离散化为N段，初始的循环次数记为0；
步骤3.对步骤1建立的初始状态下的有限元模型进行复特征值分析，对摩擦系统中的初始表面的摩擦振动噪声结果进行预测；
步骤4.对前步骤所得有限元模型进行时域动态分析计算；
步骤5.选取磨损公式，在主程序中调用子程序对步骤4的动态分析计算结果进行信息提取，提取信息的种类根据所述磨损公式所需值来确定；
步骤6.将步骤5提取的信息带入磨损公式计算得到磨损方向及深度；
步骤7.对步骤6计算得到的磨损方向及深度进行蒙特卡洛模拟得到新的磨损方向及深度；
步骤8.根据步骤7的得到的新的磨损方向及深度更新步骤4所采用的有限元模型中的摩擦界面的节点坐标，生成新的有限元模型；
步骤9.对步骤8得到的新的有限元模型进行复特征值分析，对摩擦振动进行预测；
步骤10.使循环次数加1，在循环次数达到N的情况下结束摩擦振动噪声的实时预测；在循环次数未达到N的情况下，将步骤8得到的新的有限原模型代入步骤4中，重复进行步骤4至步骤9的操作。


2.按照权利要求1所述的一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法，其特征在于：步骤1中，对所述摩擦系统建立有限元模型的范围包括摩擦界面和摩擦界面周边的零件。


3.按照权利要求1所述的一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法，其特征在于：步骤2中，时域上的离散化方法为平均处理，离散化后的循环次数N，每次计算步长时间t0和总时长T满足以下关系：





4.按照权利要求1所述的一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预测方法，其特征在于，采用的复特征值分析方法满足以下公式：
(λ2[M]+λ[C]+KNS){φ}＝0，
式中，[M]为系统的质量矩阵，[C]为系统的阻尼矩阵，[KNS]为系统的非对称刚度矩阵，λ为特征值，{φ}为其对应的特征向量；
得到的复特征值计算结果表示为：
λ＝α+jω，
式中，ω为特征值的虚部，代表振动频率，α为特征值的实部，代表该振动频率的稳定性；实部大于0，说明对应的振动频率不稳定，实部越大说明系统在对应的振动频率下产生不稳定振动噪声的倾向越大。


5.按照权利要求1所述的一种考虑界面不确定性和时变性的摩擦振动噪声预...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫继良，钱泓桦，项载毓，黄博，王润兰，周仲荣，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51