一种空间机构磨损寿命评价方法与流程

本发明属于磨损力学建模分析，具体涉及一种空间机构磨损寿命评价方法。

背景技术：

1、机构是指由两个或两个以上的零件组成的，机构由零件组成，这些零件可以是刚性的，也可以是弹性的。机构的零仕通常包括轴、齿轮、链条、曲柄、连杆、滑块、凸轮、摆杆等。这些零件通过连接件(如螺栓、销、轴承等) 连接在一起，形成一个完整的机构。通过机构能够完成特定运动任务的装置。机构是机械系统中的重要组成部分，它们能够将输入的运动和力转换为输出的运动和力，从而实现机械系统的各种功能。

2、机构可以按照其结构和功能进行分类。按照结构分类，机构可以分为平面机构、空间机构和混合机构。按照功能分类，机构可以分为传动机构、转换机构和控制机构。其中，空间机构是指零件在三维空间内运动的机构，如万向节机构、球面摇杆机构等。

3、由于空间机构连接的复杂性，对空间机构整体的磨损寿命分析过程也变得极为复杂，在该过程当中，工作人员不仅需要考虑空间机构的运动状态，还需要考虑空间机构在状态变化过程当中各位置受力的变化情况，并基于该变化的受力情况来对空间机构的磨损寿命来进行评价，实现过程相对困难。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种空间机构磨损寿命评价方法，用以实现快速对任意一种空间机构进行基于特定运动状态或者运动状态组合下的连接节点的剩余使用次数的预测。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明所提供的一种空间机构磨损寿命评价方法，包括：

4、步骤s1、建立空间机构的三维仿真模型，并利用三维仿真模型进行空间机构在标准运动状态以及重力环境下的力学仿真得到仿真结果；

5、步骤s2、基于仿真结果确定空间机构上多个连接节点的受力状态，并基于受力状态预测连接节点在标准运动状态以及重力环境下的磨损情况；

6、步骤s3、基于多个连接节点的磨损情况对空间机构整体的磨损寿命进行评价并得到评价结果。

7、优选的，步骤s1包括：

8、建立空间机构的三维仿真模型并为三维仿真模型设定模型参数，其中，模型参数包括体积参数以及质量参数；

9、设定空间机构所对应实际使用场景的重力环境，并基于重力环境调整施加于三维仿真模型上的重力参数以及重力方向，形成模拟重力环境；

10、确定三维仿真模型的标准运动状态，并基于标准运动状态进行空间机构在模拟重力环境下的运动仿真，同时记录运动仿真过程当中各个连接节点上的受力状态作为仿真结果。

11、优选的，在基于标准运动状态进行空间机构在模拟重力环境下的运动仿真过程当中，所记录的仿真结果包括连接节点上连接机构内部所产生的碰撞及摩擦力的大小和方向，其中，连接机构包括轴承、齿轮以及螺纹杆。

12、优选的，步骤s2包括：

13、基于仿真结果确定空间机构上任意一个连接节点在进行一次完整的标准运动时的受力状态信息，并根据受力状态信息对连接节点上每个受力点的受力时长以及受力情况进行统计，得到单个受力点在一次完整的标准运动过程中的第一类受力情况；

14、基于第一类受力情况以及预设的受力点磨损计算模型，计算得到受力点在一次完整的标准运动过程后的磨损状态，计算公式如下：

15、

16、式中，表示受力点在一次完整的标准运动过程后的磨损深度，表示预设的无量纲磨损系数，表示受力点滚珠的滑移距离百分比，在受力点足够小的状态下表示为0或1，表示预设的一个修正常数，表示连接节点内部轴与轴承件之间的接触碰撞力，表示法向碰撞接触力，表示切向摩擦力，表示接触双方中较软材料的硬度；

17、其中，通过采用非线性等效弹簧阻尼模型来计算法向碰撞接触力，将接触双方之间的法向碰撞接触力分解为相互切入产生的弹性力和相对速度产生的阻尼力两部分，得到：

18、

19、其中，由赫兹公式模型确定的接触刚度系数，表示为受力点的法向穿刺深度，表示非线性指数，表示阻尼系数，表示穿刺速度；

20、基于coulomb摩擦力模型，设计切向摩擦力大小表示为：

21、

22、其中，为连接节点内部轴与轴承件之间的相对滑移速度，为剪切滑移速度函数，其表现形式为：

23、

24、其中，表示为动摩擦系数，表示符号函数，表示静摩擦系数，为动摩擦最大时的临界速度，为静摩擦最大时的临界速度；

25、基于受力点在一次完整的标准运动过程后的磨损状态，构建连接节点的有限元分析模型仿真连接节点的磨损过程，并对模型结构进行实时调整，从而更新定位边界节点以及受力点的碰撞系数，并在更新后进行下一次完整的标准运动过程后的磨损状态的预测；

26、通过不断更新迭代，计算得到连接节点上每个受力点的磨损深度：

27、

28、其中，表示j+1次完整的标准运动过程后受力点的总磨损深度，表示j次完整的标准运动过程后受力点的总磨损深度，表示j+1次完整的标准运动过程中所产生的磨损深度；

29、基于连接节点上每个受力点的磨损深度，确定连接节点的磨损情况。

30、优选的，步骤s3包括：

31、根据连接节点上多个受力点各自的磨损深度，计算连接节点的剩余使用寿命;

32、基于空间机构上所有连接节点的剩余使用寿命，确定出最低剩余使用寿命；

33、基于最低剩余使用寿命对空间机构整体的磨损寿命进行评价并得到评价结果。

34、优选的，根据连接节点上多个受力点各自的磨损深度，计算连接节点的剩余使用寿命包括：

35、确定连接节点上第t个受力点在迭代计算x次后的磨损深度为，基于磨损深度以及预设的磨损度阈值计算连接节点的使用寿命y；

36、

37、其中，z表示迭代总次数，表示连接节点上受力点的总数量，表示第t个受力点在一次完整的标准运动过程的最大接触力，表示所有受力点在一次完整的标准运动过程的最大接触力的总和，表示修正系数，表示预设的第一类磨损度阈值，表示预设的第二类磨损度阈值；

38、基于连接节点的使用寿命y以及所确定的已进行的完整的标准运动的次数，计算出连接节点剩余进行完整的标准运动的次数，并将其作为剩余使用寿命。

39、本发明至少取得了以下有益效果：

40、1. 能够快速对任意一种空间机构进行基于特定运动状态或者运动状态组合下的连接节点的剩余使用次数的预测。

41、2. 实现对空间机构的三维仿真模型的构建，并在所模拟的运动仿真过程当中得到了贴近现实使用环境下的各个连接节点上的受力状态。

42、3. 实现了对连接节点的剩余进行完整的标准运动的次数的计算。

43、本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。