一种摩擦运动副等效模型及其建模方法技术

本发明专利技术属于机械工程领域，具体涉及一种摩擦运动副等效模型及其建模方法，对摩擦副的摩擦力试验数据按高低频段分别进行统计分析建模并进行叠加，构造能同时反映摩擦副高低频特性的等效模型；针对摩擦副的低频段摩擦力特性，引入正压力输入信息并对传统的LuGre模型进行变形得到摩擦力响应与摩擦副相对速度及正压力输入的隐式关系；针对摩擦副的高频段摩擦力特性，引入正压力输入信息并结合幂函数形式的摩擦力自功率谱假设，得到摩擦力响应与摩擦副正压力的隐式关系。本发明专利技术提出的等效模型不但能反映了摩擦力与正压力和相对速度的关系，而且可以表达宽频带的摩擦力特性，具有良好的适用性。好的适用性。好的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种摩擦运动副等效模型及其建模方法


[0001]本专利技术属于机械工程领域，具体涉及一种摩擦运动副等效模型及其建模方法。

技术介绍

[0002]摩擦是物体在法向压力作用下相互接触，表面微凸体间相互嵌合，在发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上产生抵抗滑动的阻力的一种自然现象，其中的阻力被称为摩擦力。摩擦的机制相当复杂，已经有大量的研究；摩擦副的特性，即摩擦力响应与摩擦副输入运动条件(正压力、切向相对速度等)的关系，也往往呈现出相当复杂的状况，且与摩擦副材料性质、尤其是摩擦接触表面的性质紧密相关，凡是影响接触表面性质的因素也都会影响摩擦特性。经典的库仑摩擦定律认为，滑动摩擦力与正压力成正比，但后来的研究表明，滑动摩擦力与正压力不总是成正比，且与相对运动速度密切相关，存在Stribeck效应、宏观滑动时滞、预滑动位移迟滞等多种复杂现象，摩擦力也往往呈现出宽频带的特征。
[0003]鉴于摩擦副的复杂特性以及产生摩擦力的复杂机制，目前尚没有办法有效地完成摩擦副的理论建模，因此，只能借助试验方法构建摩擦副的经验模型或半经验模型。关于摩擦副的经验或半经验模型，已有许多种，例如LuGre模型、GW模型、分形接触模型、Stribeck模型、Karnopp模型、Dahl模型、GMS模型、GBM模型等，它们有的比较简洁、有的很复杂，但主要表征的都是摩擦力的低频特性，一般都不包含高频特性。
[0004]在实际工程中，低频的振动激励引起机械系统中的摩擦副产生二次摩擦激励，往往都会辐射出高频的噪声，说明激起了结构的高频振动，因此，摩擦力的高频特性必然受到关注。为此，本专利技术提供一种新的摩擦运动副等效模型，能够表征宽频带的摩擦力特性，且具有比较简洁的形式，以便用于含摩擦副的局部非线性机械系统的强迫振动响应预测、分析、设计以及控制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种摩擦运动副等效模型及其建模方法，能够表征宽频带的摩擦力特性，且具有比较简洁的形式，以便用于含摩擦副的局部非线性机械系统的强迫振动响应预测、分析、设计以及控制。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供一种摩擦运动副等效模型及其建模方法，对摩擦副的摩擦力试验数据按高低频段分别进行统计分析建模并进行叠加，构造能同时反映摩擦副高低频特性的等效模型；
[0007]针对摩擦副的低频段摩擦力特性，引入正压力输入信息并对传统的LuGre模型进行变形得到摩擦力响应与摩擦副相对速度及正压力输入的隐式关系；
[0008]针对摩擦副的高频段摩擦力特性，引入正压力输入信息并结合幂函数形式的摩擦力自功率谱假设，得到摩擦力响应与摩擦副正压力的隐式关系。
[0009]进一步，其摩擦运动副等效模型的数学方程如下：
[0010][0011][0012][0013]f(N)＝aN
b
+c
[0014][0015]其中F(N,v)为摩擦副等效模型输出的摩擦力，是摩擦副正压力N和切向相对运动速度v的函数；z为引入的中间变量，通常是时间的函数；t表示时间、ω表示频率；s(N,v)、f(N)、R(N,ω)均为引入的中间函数；r(t)是高频段的摩擦力时间历程，其自功率谱密度即R(N,ω)；其余参数均为待定系数，针对特定的摩擦副，即摩擦副的材料确定、摩擦接触表面性质确定，这些待定参数就应该是唯一确定的。
[0016]进一步，摩擦副等效模型的待定参数，可经由摩擦试验数据来辨识确定，从而可完成特定摩擦副的等效模型建模。针对任何特定的摩擦副，其等效模型建模的具体步骤包括：
[0017]S1进行摩擦副样件的摩擦试验并记录摩擦力试验相关信号，S2对试验信号预处理，获取摩擦力
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相对运动速度、摩擦力
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正压力散点图和摩擦力自功率谱，S3基于最小二乘法确定高频段摩擦力模型参数，S4基于最小二乘法和遗传算法识别低频段摩擦力模型参数，S5叠加获得完整等效模型。
[0018]本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的等效模型不但能反映了摩擦力与正压力和相对速度的关系，而且可以表达宽频带的摩擦力特性，具有良好的适用性。
附图说明
[0019]图1典型摩擦副材料标准样件照片；
[0020]图2标准样件摩擦副试验的典型实测摩擦力信号及相对位移信号；
[0021]图3摩擦副PC/ABS
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PC/ABS正压力30N、速度3mm/s三角位移波激励下的摩擦力高频部分自功率谱；
[0022]图4摩擦副PC/ABS
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PC/ABS三角位移波激励下的摩擦力
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速度曲线和摩擦力
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正压力曲线拟合效果；
[0023]图5摩擦副PC/ABS
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PC/ABS正压力30N、速度1mm/s三角位移波激励下的低频段部分摩擦力时间历程模型迭代效果；
[0024]图6摩擦副PC/ABS
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PC/ABS三角位移波激励下的摩擦力时间历程等效模型预测效果；
[0025]图7其它典型摩擦副采用本专利技术等效模型的建模预测摩擦力时间历程与实测值对比图。
具体实施方式
[0026]下面通过具体实施方式进一步详细说明。
[0027]在大量摩擦副标准样件摩擦力试验信号采集分析基础上，我们对摩擦力特性进行了统计分析与观察，其低频段的特性与已有的研究结论基本一致，其高频段的特性则呈现出幂函数特征，即摩擦力自功率谱随频率增加而按非线性幂函数规律衰减，通常，高频段的摩擦力会随正压力增加而增加，但与相对运动速度的关联不明显。因此，本专利技术提出叠加低频段特性和高频段特性的等效模型，即在模型结构上区分为低频段和高频段，在模型参数的辨识上，也采用试验数据的相应频段滤波信号。针对低频段的模型，则考虑到传统的LuGre模型具有明确的物理意义和较简洁的形式，即较少的需辨识的模型参数，以及所能表征的摩擦特性包括了最大静摩擦力大于滑动摩擦力、预滑动位移迟滞、Stribeck效应和滑动摩擦时滞，因此采用传统的LuGre模型，并引入正压力关系进行模型结构适当修改，以表征低频段更完整的摩擦力特性；针对高频段的模型，则直接构建包含正压力输入的摩擦力自功率谱幂函数模型；考虑到高频摩擦力信号的随机性，就可以结合随机相位进一步获得高频段的摩擦力时间历程，于是在时域直接叠加低频段摩擦力，就获得整个频段的完整摩擦力输出。
[0028]按照上述思路，本专利技术提出摩擦运动副新的宽频带摩擦力等效模型如下所示。
[0029][0030][0031][0032]f(N)＝aN
b
+c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0033][0034]方程(1)表达了摩擦副等效模型输出的摩擦力F(N,v)由低频段部分和高频段部分r(t)在时域直接叠加而成，是摩擦副正压力N和切向相对运动速度v的隐函数；其中z为引入的中间变量，通常是时间t的函数。低频段部分的摩擦力由方程(2)～(4)给出，方程(4)表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种摩擦运动副等效模型及其建模方法，其特征在于，对摩擦副的摩擦力试验数据按高低频段分别进行统计分析建模并进行叠加，构造能同时反映摩擦副高低频特性的等效模型；针对摩擦副的低频段摩擦力特性，引入正压力输入信息并对传统的LuGre模型进行变形得到摩擦力响应与摩擦副相对速度及正压力输入的隐式关系；针对摩擦副的高频段摩擦力特性，引入正压力输入信息并结合幂函数形式的摩擦力自功率谱假设，得到摩擦力响应与摩擦副正压力的隐式关系。2.根据权利要求1所述的摩擦运动副等效模型及其建模方法，其特征在于，其摩擦运动副等效模型的数学方程如下：副等效模型的数学方程如下：副等效模型的数学方程如下：f(N)＝aN
b
+c其中F(N，v)为摩擦副等效模型输出的摩擦力，是摩擦副正压力N和切向相对运动速度v的函数；z为引入的中间变量，通常是时间的函数；t表示时间、ω表示频率；s...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓兆祥，贺本刚，张宇彪，陈之春，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：