制動摩擦尖叫的不確定理論與穩健性設計方法

中文摘要

摩擦誘發的振動與噪聲是機械振動學與摩擦學交叉領域的國際前沿與世界性學術難題。本項目以汽車盤式制動器為對象，提出以接觸面表面形貌的隨機性為切入點，基於不確定性方法揭示制動尖叫發生機理的新思路。利用制動器聲-振-熱綜合試驗台架進行實際制動器與制動盤-銷支制動塊2種系統的摩擦尖叫試驗，綜合分析表面形貌、3向動態接觸力與摩擦尖叫的隨機性及聯合作用機制。建立考慮接觸面形貌的集總參數尖叫動力學模型，研究表面形貌隨機性誘發系統失穩的機理；基於實測3維表面形貌測量與統計數據，採用蒙特卡洛方法重構獲得虛擬表面形貌樣本，建立考慮3維形貌的制動尖叫復模態有限元模型，基於隨機結構系統方法確定表面形貌等關鍵控制參數到尖叫傾向性的機率密度演化規律。在此基礎上，建立以制動尖叫傾向性機率為目標的關鍵設計控制參數的穩健性設計方法。本項目研究將為國際上尚未解決的摩擦尖叫機理與控制問題，提供新的理論支撐。

結題摘要

制動尖叫具有頻率高（1kHz~16kHz）、強度大（60~120dB）的特性，會導致嚴重的環境噪聲污染，進而造成巨額的經濟損失。制動尖叫具有顯著的的時變性與不確定性是其公認的研究難點之一，也為制動尖叫的機理研究及控制方法研究帶來了較大困難。研究制動尖叫的時變性與不確定性，具有重要的理論價值和工程意義。本課題通過制動尖叫試驗與理論研究，發現了制動尖叫具有時變性與不確定性，進而深入研究了制動摩擦尖叫時變性及不確定性的發生機理，並研究了制動尖叫的穩健性設計方法。本課題在研究中取得了如下有代表性的研究成果：試驗研究方面：搭建摩擦—聲—振耦合試驗台架，完成了制動器摩擦特性測試，得到了摩擦特性的半經驗模型；進行表面形貌的測量、統計與構建，建立完整、有效的表面形貌三維評價體系，同時建立考慮實測表面形貌的盤-塊系統復模態有限元模型；進行盤-銷系統摩擦尖叫的時變性研究，發現了摩擦尖叫的發生、頻率與幅值具有時變性；進行制動尖叫摩擦尖叫台架試驗與不確定性統計分析，發現摩擦尖叫頻率與聲壓級具有不確定性。理論研究方面：建立四自由度集總參數模型，研究發現盤端面跳動引起了摩擦接觸力的變化，進而導致了摩擦振動的時變性特徵；研究了制動摩擦尖叫機理之間的聯繫,研究表明能量饋入理論依賴於模態耦合理論，模態耦合與摩擦係數速度負斜率共同效果能決定粘滑運動的產生與發展；揭示了制動尖叫不確定性的產生機理，即結構參數與接觸參數的不確定性導致了制動尖叫的不確定性，並推導出制動尖叫不確定性的機率密度演化規律。仿真方法方面：建立了基於有限元與基於連續體的復模態模型，能用於預測不穩定頻率；建立了制動尖叫瞬態有限元仿真分析方法和連續體模型仿真分析方法，這兩種方法能在不同場合針對不同研究目的對系統的瞬態動力學現象，各有千秋。控制方法方面：建立了不穩定傾向性指標，在參數確定性條件下採用田口方法進行穩健性設計，使制動尖叫現象得以改善；隨後建立了考慮參數隨機性的制動尖叫穩健性設計方法，進一步進行制動尖叫的穩健性設計，並分析了參數的離散程度對穩健性設計結果的影響規律。該課題構建的參數誘發尖叫不確定性與時變性的理論體系，進一步完善了現有的制動尖叫理論，為尖叫有效控制提供理論支持；建立的瞬態有限元仿真分析方法與連續體模型仿真分析方法可以實現盤-銷系統的摩擦振動瞬態動力學仿真，具有較高的理論意義與工程價值；建立的面向對象的尖叫

制動摩擦尖叫的不確定理論與穩健性設計方法

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