(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210594828.9 (22)申请日 2022.05.27 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市碑林区友谊西 路127号 (72)发明人 周锐　张玉刚　张运　宋笔锋　 刘东昊　熊晨阳　丑帅　陈闯　 (74)专利代理 机构 北京格汇 专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 16088 专利代理师 张伟洋 (51)Int.Cl. G06Q 10/04(2012.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方 法 (57)摘要 本发明公开了一种基于多体动力学的铰链 非均匀磨损预测方法， 包括如下步骤： S1、 建立曲 柄滑块机构的多体动力学模型； S2、 建立铰链位 置与机构运动输出之间的运动学映射关系； S3、 采用B样条曲线作为轴套的初始 接触轮廓； S4、 形 成加厚曲面； S5、 加厚曲面的横截面外径始终保 持为直径是轴套外径的圆形； S6、 定义接触力； S7、 计算铰链模型上的磨损； S8、 设置外推系数L； S9、 几何更新； S10、 判断； 本发明考虑了铰链的非 均匀磨损效应， 使铰链的磨损过程更加符合实 际； 利用B样条曲线封闭N个控制点来拟合轴套与 销轴接触的几何轮廓， 让轴套磨损后的外形保持 光滑连续。 本发 明可以实现铰链非均匀磨损仿真 流程的自动化， 节省了时间成本 。 权利要求书2页 说明书10页 附图8页 CN 114997489 A 2022.09.02 CN 114997489 A 1.一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法， 其特 征在于： 包括如下步骤： S1、 建立曲柄滑块机构的多体动力学模型； S2、 建立铰链位置与机构运动输出之间的运动学映射关系； S3、 在轴套内径的圆周上均匀选取N个控制点Pi(i＝1,2, …N)， 然后采用B样条曲线将各 个控制点Pi连接起来作为轴套的初始接触 轮廓， 控制点Pi在极坐标系下的坐标为： 其中， Ri,(j‑1)为第i个控制点在第j ‑1个磨损周期时到轴套中心的距离(j＝1,2, …m)； S4、 创建N个草图， 将B样条曲线投影到N个草图中， 并在每个草图中截取以控制点Pi为中 心， 圆心角为 的圆弧， 并以该圆弧为基准沿轴套的轴向方向拉伸， 成为轴套的宽度， 然后 沿轴套径向方向增厚， 形成加厚曲面； S5、 创建N个草图， 在每个草图中创建圆， 圆的直径等于轴套的外径， 然后定义N个凹槽， 使用凹槽来切掉加厚曲面向外扩展的部 分， 使得加厚曲面的横截面外径始终保持为直径是 轴套外径的圆形； S6、 定义接触力： 根据多体动力学中非线性Lankarani ‑Nikravesh接触力模型， 销轴与 轴套之间的法向接触力FN可以被写成如下的形式： 式中， K为广义刚度系数， δ为相对穿透深度， cr为恢复系数， 为相对法向穿透速度， 为初始法向碰撞速度； 得到铰链的法向接触力FN后， 根据Her tz接触模型 可以得到法向接触 应力P： 式中， r为销轴的半径， b为轴套的宽度， μ1、 E1分别为销轴的泊松比和杨氏模量， μ2、 E2分 别为轴套的泊松比和杨氏模量； S7、 Archard磨损模型： 采用Archard磨损模型计算铰链模型上的磨损， 该模型如下所 示： 式中， kH表示磨损率， kH＝k/H， H表示材 料的硬度， v表示销轴与轴套的相对滑 移速度； 在dt的时间微元里， 轴套的磨损深度dh＝kHPvdt， 在机构的一个运动周期中， 铰链轴套 的磨损深度Δ hi为对时间进行积分： S8、 设置外推系数L： 假定L个循环内磨损量相同， 那么将一次计算得到的磨损量乘以L 来等效L次周期运动造成的磨损， 以外推系数L 为单位对轴套轮廓进行 更新； 外推系数过大则可能会影响磨损仿真的精度， 外推系数过小则无法有效减少 磨损仿真权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114997489 A 2的时间， 外推系数L的选取需要遵循下式： 式中， α 为无量纲常数， 在0和1之间取值； 为铰链在第一个运动周期内N个接触区域中的最大接触 变形量； 为铰链在第一个运动周期内N个接触区域中的最大仿真磨损深度； 引入外推系数L后， 铰链轴套在L个磨损周期内的磨损深度Δhi变为如下公式： S9、 几何更新： 得到轴套各控制点的磨损深度后， 将各控制点对轴套中心的距离进行更 新， 如下式所示： Ri,j＝Ri,(j‑1)+Δhi,j 各个控制点的极坐标位置更新 为： 更新控制点位置后， B样条曲线形状自动更新， N个草图中由B样条曲线投影的部分自动 更新， 由草图生成的轴套各区域加厚曲面几何外形自动更新； S10、 判断： 判断是否到达设定好的循环数， 如果没到达， 则将更新后的轴套几何外形代 入到多体动力学模型中作为下一循环的输入； 如果已到达， 则进 行结果分析， 根据机构运动 学映射关系， 讨论铰链的非均匀磨损对机构运动输出的影响。 2.根据权利要求1所述的一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法， 其特征在 于： 所述步骤S3为通过计算控制点Pi上的磨损深度， 来改变它们到轴套中心的距离， 实现轴 套非均匀磨损的模拟。 3.根据权利要求1所述的一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法， 其特征在 于： 所述步骤S3中， 当磨损未发生时， Ri,(j‑1)＝Ri,0， Ri,0为轴套初始半径。 4.根据权利要求1所述的一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法， 其特征在 于： 所述步骤S4中， 加厚曲面的厚度要大于轴套的设计厚度。 5.根据权利要求1所述的一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法， 其特征在 于： 所述步骤S5中， 凹槽的作用是： 由于加厚曲面的厚度是常值， 当轴套受到磨损时控制点 外推导致加厚曲面也向外扩展， 然而轴套的磨损是一个质量减小的过程， 并且轴套磨损的 部位仅为内表面， 而轴套的外表面是不会受到影响的， 因此需要使用凹槽来切 掉加厚曲面 向外扩展的部分， 使得加厚曲面的横截面外径 始终保持为 直径是轴套外径的圆形。 6.根据权利要求1所述的一种基于多体动力学的铰链非均匀磨损预测方法， 其特征在 于： 所述步骤S8中， α 的取值与仿真精度有关， 越大则仿真精度越低， 反之则仿真精度越高， 根据精度要求 通过仿真确定 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114997489 A 3