（动力机械及工程专业论文）复杂产品时变性能设计和设计中的知识服务研究.pdf

摘要 随着科学技术的进步和工业生产的现代化，机械设备产品一方面越来越复杂，另一方面面 临更加苛刻多变的工况和运行环境。这要求设计者在设计阶段必须综合考虑和改善产品的时 变性能，以保证产品在运行使用过程中的可靠工作寿命和系统性能的长期稳定。为此，本文 以内燃机为典型对象，阐述了面向时变性能设计的理念和方法，并针对设计实体很难掌握与 设计相关的全部知识这一现状，提出了可嵌入式知识服务并分析了其可行性。本文的主要内 容及贡献如下： 1 ，提出了面向时变性能的设计理念，指出面向时变性能设计的关键，是在给定一种基准 运转工况或者系统时变历程的基础上，通过精确仿真瞬态的系统行为，推算系统的退化过程 和系统性能的时变过程，从而为设计决策提供依据。 2 ，通过动力学和流体动压润滑耦合建模及数值求解，对活塞缸套这一关键摩擦副的动力 学行为和润滑行为进行了仿真分析，着重分析了活塞裙部设计和燃烧温度对活塞动力学和摩 擦学性能的影响。该项工作一方面将有利于改善内燃机中最为典型的时变过程摩擦磨损， 另一方面将为内燃机的时变性能推算奠定基础。 3 ，论述了不同逼真度的内燃机燃烧模型及其构建方法，并结合实际建模分析讨论了各类 模型的适用性。然后基于燃烧模型，分析了内燃机两类典型的时变现象气门间隙变化和 缸套一活塞漏气间隙变化对内燃机燃烧学行为及整机性能的影响。 4 ，从提高产品竞争力角度出发，论述了知识服务的重要性，并提出了可嵌入式知识服务 的运作理念，以将各级资源单元围绕着设计任务无缝地集成在一起，保证分工协作的顺畅。 结合设计实践，分析了可嵌入式知识服务运作的条件和可行性。 关键词：时变性能，系统退化，摩擦磨损，知识服务，内燃机 a bs t r a c t t h em e c h a n i c a le q u i p m e n t sa r eb e c o m i n gm o r ec o m p l e xa n dw o r k i n ga tm o r er i g o r c o n d i t i o n s t h i sl e a d st ot h es y s t e md e g r a d a t i o nd u r i n gr u n n i n g s ot h et i m e v a r i n g p e r f o r m a n c eo fp r o d u c t ss h o u l db ec o n s i d e r e da td e s i g ns t a g et or e a c h al o n g e rp e r i o d o fr e l i a b l er u n n i n g i nt h i ss t u d yt h em e t h o d o l o g yo fd e s i g n i n gf o rt i m e v a r i n g p e r f o r m a n c ei sp r e s e n t e da n ds t u d i e d a n dt h e e m b e d d e dk n o w l e d g es e r v i c ei s p r e s e n t e dt oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t yo fk n o w l e d g ei n s u f f i c i e n td u r i n gd e s i g n t h e m a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w i n g f i r s t ，t h em e t h o d o l o g yo fd e s i g n i n gf o rt i m e - v a r i n gp e r f o r m a n c ei sp r e s e n t e d i ti s p o i n t e dt h a tt h ek e yo fd e s i g n i n gf o rt i m e - v a f i n gp e r f o r m a n c ei s t op r e d i c tt h e d e g r a d a t i o no fs y s t e ms t r u c t u r ea n ds y s t e mp e r f o r m a n c ea tag i v e nb e n c h m a r ko f w o r kc o n d i t i o n sb ys i m u l a t et h et r a n s i e n ts y s t e mb e h a v i o r sa c c u r a t e l y s e c o n d ac o u p l i n gm o d e la n dn u m e r i c a ls o l v i n gm e t h o da r eb u i l tt os i m u l a t et h e k i n e t i ca n dl u b r i c a t i o nb e h a v i o r so ft h ep i s t o na n dc y l i n d e rl i n e rf r i c t i o np a i r w i t h t h em o d e li ti ss t u d i e dt h a tt h ee f f e c t so fs k i r tp r o f i l e sa n dt e m p e r a t u r ef i e l do nt h e k i n e t i ca n dt r i b o l o g yp e r f o r m a n c eo fp i s t o n b yt h i ss t u d yt h et r i b o l o g yp e r f o r m a n c e o fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sc a nb ei m p r o v e d t h i r d t h ec o m b u s t i o nm o d e l sw i t hd i f f e r e n tf i d e l i t ya r eb u i l tf o rt h ei n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n e s b a s e do nt h em o d e l st h es y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no f e n g i n e si sp r e d i c t e dw h e nt h ev a l v ec l e a r a n c ea n db l o wb yg a pv a r i e s f i n a l l y , t h ei m p o r t a n c eo fk n o w l e d g es e r v i c ei sr e l a t e dt oi m p r o v et h ea d a n t a g e s o fp r o d u c t si nt h em a r k e t t h ee m b e d d e dk n o w l e d g es e r v i c ei sp r e s e n t e dt oi n t e g r a t e t h er e s o u r c eu n i t si n t ot h ed e s i g np r o c e s so fd e s i g ne n t i t ys e a m l e s s l y b yt h i st h e c o l l a b o r a t i o no fd i f f e r e n tu n i t sa n dd e s i g ne n t i t yc a nb em o r es m o o t h l y t h e f e a s i b i l i t yo fe m b e d d e dk n o w l e d g es e r v i c ei sa n a l y z e dw i t had e s i g no fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e k e y w o r d s ：t i m e v a r y i n gp e r f o r m a n c e ，s y s t e md e g r a d a t i o n ，t r i b o l o g y , k n o w l e d g e s e r v i c e ，i n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e q ( t ) ，c r ， s f s f r f i c e f | p 气 f 8 毋 p 6 9 m p i ，唧括 p h a i , j ，b z , j ，c i j ，d u d d s k k ( 臼，y ) 幽 q w d m g a p 一加 d p 主要符号说明 气缸内燃烧压力 活塞裙部长度 连杆长度 活塞半径 曲柄半径 裙部侧推力 裙部摩擦力 活塞环摩擦力 活塞横向惯性力 活塞纵向惯性力 活塞销横向惯性力 活塞销纵向惯性力 连杆力 活塞裙项部横向位移 活塞裙底部横向位移 活塞侧摆角 活塞销质量 活塞质量 润滑油膜压力 油膜厚度 雷诺方程差分系数 缸套直径 活塞裙部直径 活塞裙部型线 燃烧放热规律 避免传热量 气门漏气量 活塞环漏气量 瞬时传热系数 缸内温度 滞燃期 v 塑 堕咖 垫 口r t 1 1 研究背景 第一章绪论 随着科学技术的进步和工业生产的现代化，机械设备产品一方面越来越复杂， 另一方面面临更加苛刻多变的工况和运行环境。在运行过程中，设备本身的结构 也处在时刻变化之中，例如磨损和疲劳的发生和发展，这导致设备的状态和性能 不断发生变化。极端情况下是结构变化累积到一定程度，设备突然破坏。为了防 止这种情况发生，一种措施是采集设备运行过程中的状态数据，然后进行数据分 析和特征提取，以识别设备内部的结构变化并对其状态走势进行预测。但是更根 本的措施，是应该在设计阶段从关注产品出厂时的性能( 本文中简称产品的“时 不变性能”) 转变到关注其运行使用过程中的时变性能【1 1 ，通过面向时变性能的 设计提高产品的正常运行寿命。传统的面向时不变性能的设计理论和方法已经相 当成熟，并发展了大量的设计支持工具，如计算机辅助工程( c a e ) 、计算机辅 助优化( c a o ) 等。尤其是依托于各种学科分析模型的c a e 分析工具，为产品 的性能分析、预测和优化提供了很好的途径，有力地支持了面向产品性能的设计 过程。在此基础上，一些学者认识到了产品时变性问题的重要性，因此对系统的 时变机理研究取得了一些初步成果。然而，当前的研究还很难支持面向产品时变 性能的设计过程。这有两方面的原因：一是时变性能的分析和预测还需要以大量 的基础性研究工作为前提；另一方面，面向产品时变性能的设计还没有引起学术 界和产业界应有的重视。为此本文从两个方面开展工作：一方面将阐述面向产品 时变性能设计的内涵、理论和方法，并探讨企业在提高产品竞争力方面的挑战和 应对措施；另一方面将以汽车发动机为典型对象，分析其主要的结构退化摩 擦磨损以及由此带来的发动机性能退化，从而为其它复杂产品的时变性能分析和 设计奠定基础。 虽然面向时变性能的设计能够从根本上改善产品的竞争优势，但是这需要设 计者在设计阶段要掌握产品全生命周期中的所有相关知识，这几乎是不可能的。 随着产品尤其是工业设备产品越来越复杂，任何一家企业都很难独自掌握与产品 相关的所有知识，并且保证这些知识是始终领先的。这种“大而全”的思想不但 几乎没有可能做到，也是非常不经济的很多知识虽然花了大量的代价进行研 发，其利用率却非常有限。另外，当今的市场竞争非常激烈，市场机会转瞬即逝。 在此情况下，企业除了保证产品具有功能和性能竞争优势以及成本低廉以外，还 要快速地响应市场，及时推出满足市场需求的新产品。以上所有的问题都指向了 一个症结企业在产品开发过程中，不能只依靠自身的力量，还要从企业外吸 取一些成熟的、领先的知识。这样企业才能以较低的成本、较快的速度推出具有 竞争优势的产品。为此，本文阐述了将资源单元和设计实体无缝联接的可嵌入式 知识服务及其实现的可能性。 本文研究得到如下项目的支持：中国博士后基金项目“基于多学科耦合模型 的复杂装备产品瞬态行为预测”( 2 0 0 7 0 4 1 0 7 2 0 ) ；教育部重点科学技术项目“分 布模型条件下内燃机数字样机构建”( 1 0 5 0 6 5 ) ；国家9 7 3 计划项目“重载装备多 自由度操作性能度量与机构设计原理”( 2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 2 ) ；上海市科委资助项目 “产品现代设计知识流理论研究”( 0 7 j c l 4 0 2 7 ) 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 产品性能退化 当前，产品在运行使用过程中的性能退化受到越来越多的关注。产品性能的 退化轻则导致设备停机，重则导致重大伤亡事故。因此，对产品性能退化进行分 析和预测的研究已成为相关领域的热点。这类研究具体又可分为基于信号分析的 无模型方法和基于模型的方法。 基于信号分析方法的实质是根据设备运行过程中的状态数据采集，进行数据 分析和特征提取，以识别设备当前运行状态并对其状态走势进行预测。为克服单 维信息量不足的缺点，近年来大多采用信息融合技术将多个单维信息集合为多维 信息进行判断。已经取得应用的包括贝叶斯决策方法【2 - 4 1 ，支持向量机( s v m ， s u p p o r tv e c t o rm a c h i i l e ) 方法【5 ，支持向量数据描述( s v d d ，s u p p o r tv e c t o rd a t a d e s c 邱i t i o n ) 方法【7 1 ，隐马尔可夫( h m m ) 方法【1 1 ，小波变换方法【1 2 】，时间序列 分析方法【13 1 ，神经网络方法【1 4 j7 】，证据理论方法【1 8 】等。如文献 1 7 】应用r b f 神 经网络对内燃机活塞缸套系统的磨损故障进行诊断，文献 1 8 】基于证据理论方法 对活塞缸套活塞环系统的工作状态进行识别等。基于信号分析方法的特点是基 于大量测试数据寻找规律，对设备内部过程的考虑较少。 基于模型的方法是从系统的内部工作过程或时变机理出发对设备状态进行分 析和预测，具体又可以分为两类：一类是时变模型推算方法，另一类是系统识别 方法。传统的系统模型都是假定系统参数( 表征系统的结构参数或者约束) 不随 时间变化的情况下建立的。而时变模型推算方法就是在对系统结构随时问变化的 机理进行研究的基础上，将这些系统参数表征为时变参数模型，然后对系统进行 时变推算。如针对材料在高温下的蠕变疲劳等复杂力学行为，学者们提出了 b o d n e r - p a r t o m 模型1 9 1 、m i l l e r 模型【2 0 川、w a l k e r 模型【2 2 】等一系列的统一本构模 型，这些模型已被广泛地用于系统疲劳条件下的应力分析和寿命预测。而 h o w a r d 2 3 】研究了齿轮啮合过程中摩擦力动力学模型，以分析齿轮啮合过程中的 2 齿面硬度变化及裂纹发展情况。目前，通过时变模型推算方法对时变系统直接进 行仿真的研究还处在起步阶段。代表性的研究如b r a g h i n 2 4 】从多体动力学模型、 轮轨局部接触模型和局部磨损模型出发，建立了火车轮外廓磨损预测模型，以 预测系统的结构变化和性能( 如动力学性能) 变化。对于大多数复杂设备来说， 其系统模型一般可以用偏微分方程或常微分方程来描述。如果系统参数可以表达 成时变参数模型，则可以通过数值积分法( 如有限差分方法) 、时变有限元法、 状态空间法等获得系统的时变过程。但实际上系统的时变原因即系统的结构 退化过程很难清晰描述，这是该方法的最大难点。当前大多数研究成果仍然局限 在某些特定对象和特定条件下，难以有效推广。所提出的机械产品磨损模型、疲 劳模型等的计算精度仍然需要改进。而针对电子产品，美国马里兰大学的p e c h tm 教授等人幢副提倡失效物理研究方法( p h y s i c s o f - f a i l u r e ) 并取得了一些成果。 另一类基于模型的方法是系统识别方法。该方法将系统建模与状态数据采集 相结合，其思想是首先建立系统分析模型，然后通过比较模型计算结果和试验测 量的系统响应数据来识别模型中系统参数的变化，进而识别系统退化( 如损伤、 裂纹、磨损等) 和故障。这种方法涉及到反问题的求解，其前提是需要一个好的 分析模型和较精确的响应数据。目前对该方法的研究有增多的趋势，如w a n g 2 6 1 建立了齿轮动力学模型，该模型中包括质量、阻尼和硬度等具有实际物理意义的 参数，然后利用齿轮的振动信号分析来识别模型中参数的变化，实现齿轮的故障 诊断和故障预测功能。系统识别方法方面比较成熟的研究，包括对模态参数进行 识别的频域法、时域法以及时频分析法【27 2 8 ，对结构物理参数进行识别的最小 二乘算法 2 9 - 3 1 1 和卡尔曼滤波算法【3 2 3 3 1 等。最d - - 乘方法的基本意义是寻找一组 结构参数的可能值，使得实际观测值和计算值之间的误差平方和达到最小。为了 提高计算精度，又提出了加权最小二乘算法，其基本思想是不同的数据具有不同 的信任程度，对信任度大的数据给予较大的权系数。为了解决观测数据较多时计 算量过大的问题，在最小二乘的基础上发展了递推最小二乘算法【3 0 1 和遗忘因子 算法【3 1 1 。最小二乘类算法原则上仅适合于线性参数系统，卡尔曼滤波算法则不 仅适合于线性参数系统，同时也可用于非线性参数系统。卡尔曼滤波器可以根据 系统的状态方程和观测方程，在已知前一时刻系统状态的估计值和系统输入的情 况下，对下一时刻的系统状态作最佳估计。用在参数识别上面的方法有推广卡尔 曼算法，参数卡尔曼算法以及加权整体迭代卡尔曼滤波算法 3 4 - 3 6 】。推广卡尔曼 算法的基本思想是将系统参数作为增广状态向量并入滤波器的状态方程与观测 方程中，在对系统的动态测量数据进行滤波的同时，给出系统参数的估计。参数 卡尔曼滤波是为了解决推广卡尔曼算法的非线性耦合和计算量大等问题而提出 的，它以有限元列式形式的参数识别方程作为卡尔曼滤波器的观测方程，而以考 虑系统参数的可能变异作为状态方程。加权整体迭代卡尔曼滤波算法是在参数 卡尔曼滤波算法的基础上，对每一次迭代的误差协方差矩阵进行加权处理。 1 2 2 全生命周期设计 作为一种全新的设计理念，全生命周期设计( p r o d u c tl i f e c y c l ed e s i g n ，p l d ) 将设计阶段的考虑从产品出厂时的性能扩展到制造、维护、报废和回收等整个生 命过程中的各个环节【37 ，3 8 】。然而，现有的全生命周期设计研究尚没有将最重要的 系统性能时变问题考虑进来并加以解决。 全生命周期设计的研究内容主要包括产品全生命周期建模( l i f ec y c l e m o d e l i n g ，l c m ) 、d e s i g nf o rx ( d f x ) 技术、协同设计环境等。全生命周期建 模的思想是通过建立定量或定性的模型，对产品在全生命周期各个阶段的表现进 行仿真和预测，从而支持对产品或系统的生命周期性能、表现、成本等进行评价 ( 即全生命周期评价，l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 3 9 1 。对于复杂产品，建立详细 的全生命周期模型非常网难，原因之一是复杂产品的设计有太多的不确定性。全 生命周期建模中的不确定性分如下几类【州2 】：( 1 ) 数据不确定性，即系统输入 数据的真值性；( 2 ) 数据变动性，即系统数据取值随时间、空间的变化：( 3 ) 模 型不确定性，即所建立的模型是否表达了系统的真实本质；( 4 ) 设计不确定性， 即关于产品设计知识的不确定，如该选择什么样的材料等。在复杂产品设计中存 在不确定性的根本原因在于相应知识的缺乏，因而在建模分析时往往只能做假 设，但这样的话建模精度就难以保证。在这种情况下，一种可行的思路是建立一 种分布式资源环境和知识供应方法，使得分散的单元知识能够“即插即用”地集 成到模型中，以保证模型的预测能力愈发完善。 全生命周期建模的目标是为了对设计方案进行全生命周期评价。实际上，不 同的全生命周期建模方法，如分析建模方法、参数化建模方法、基于知识的建模 方法、神经网络方法、蒙特卡罗方法等，也是根据评价目标的需要确定的。在研 究和应用中，全生命周期评价的目标一般是装配、生产和运输的方便性，以及减 少产品在全生命周期中的能量、材料消耗和对环境的污染等。全生命周期建模和 评价相结合，出现了各种d f x 技术，其中x 表示全生命周期中的某项评价目标。 如d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y - 装配) 、d f e ( d e s i g nf o re n v i r o n m e n t 环境) 、d f m ( d e s i g nf o r m a n u f a c t u r a b i l i t y - 可制造性) 、d f q ( d e s i g nf o r q u a l i t y - 质量) 、d f r ( d e s i g nf o rr e l i a b i l i t y - 可靠性) 、d f s f ( d e s i g nf o rs a f e t y - 安全) 、d f s ( d e s i g nf o r s e r v i c e a b i l i t y - 可维护性) 、d f d ( d e s i g nf o rd i a g n o s a b i l i t y - n - - i 诊断性) 、d f c t ( d e s i g n f o rc a s t i n g s 铸造) 、d f c ( d e s i g nf o rc o s t 成本) 、d f d a ( d e s i g nf o rd i s a s s e m b l y - 拆卸) 、d f f g ( d e s i g nf o rf o r g i n g s - 锻造) 、d f m a ( d e s i g nf o rm a c h i n i n g - 力口工) 、 d f p m ( d e s i g n f o rp o w d e rm e t a l l u r g y - 粉末冶金) 、d f p d ( d e s i g nf o rp r o d u c i b i l i t y - 可生产性) 、d f r e ( d e s i g nf o rr e c y c l i n g 回收) 、d f s m f ( d e s i g nf o rs h e e t m e t a l f o r m i n g 钣金成形) 、d f t m ( d e s i g nf o rt i m e t o m a r k e t 快速响应市场) 、d f v ( d e s i g nf o r v a r i e t y - 多样性) 和d f w ( d e s i g nf o r w e l d i n g 焊接) 等。可以理解， 4 d f x 技术所依赖的仍然是产品的全生命周期模型，只是这里的模型是特殊化的， 只针对特定的“x ”目标评价的需要而建立。如d f a 的基础是产品的装配模型， 该模型针对“装配”这一阶段性需求，建立了产品的零件和部件之问的层次关系、 装配关系以及设计参数之间的约束和依存关系【4 3 1 。 从目前的全生命周期设计研究来看，基本还没有关注产品在运行过程中的性 能变化和衰退即没有将性能的衰退作为设计的评价月标之一。如果将传统的 以产品性能为主要目标的设计( 可简写为d e s i g nf o rp e r f o r m a n c e ，d f p ) 也视为 全生命周期设计的一部分，虽然全生命周期设计的概念变得几乎无所不包，但是 情况依然没有多大改善。因为传统的关注产品性能的建模研究，基本都是研究产 品时不变假设下的性能。如本文作者曾建立了二甲醚发动机的准维多区燃烧模 型，对发动机结构不变情况下的燃烧性能和n o x 排放性能进行预测m 4 5 1 。内燃 机在瞬态工况下的性能与稳态性能有很大区别，如调速器的瞬态性能、油泵瞬态 特性、气缸内局部不完全燃烧、气缸瞬态工况传热过程等都具有一些特殊的性质。 针对这些情况，文献 4 6 5 1 】通过燃烧学建模，预测了内燃机瞬态工况下的综合 性能及排放变化规律。同样地，在上述瞬态性能预测研究中，没有考虑内燃机结 构和性能随时间的衰退。而事实上由于内燃机工作条件的恶劣，其系统一直处在 变化之中。如文献 5 2 】认为发动机机体在运行过程中会发生如下变化：机体变形、 轴承孔挺住孔磨损、腐蚀气蚀、冷却水腔结垢、机体裂纹等。同样，气缸盖在 运行过程中也会发生裂纹、磨损、变形等变化【5 3 1 。而其它系统如配气系统、活 塞缸套系统的磨损和变化对内燃机性能的影响更大，尤其是活塞缸套系统的磨 损不仅导致内燃机的经济性和动力性大幅下降，还可能导致内燃机的报废。因此， 对内燃机这种复杂的动力设备，不仅要评价其可生产性、易组装性和易回收性等 指标，更重要的是要关注内燃机在运行过程中的性能表现和衰退情况。对复杂产 品来说，性能衰退是导致产品突然破坏、造成人员伤亡和财产损失的重要原因， 因此应当成为产品设计过程中重点考虑的内容。 1 2 3 多学科耦合建模与仿真 复杂产品一般都是多学科耦合产品，系统行为受多种多学科行为的综合影响， 因此系统衰退过程的影响因素错综复杂。为了精确反映系统的结构变化和性能衰 退，需要考察多种学科行为之间的相互影响和综合作用建立高逼真度的仿真模 型。以内燃机为例，当前国内外学者对内燃机中的多学科耦合现象进行了一些研 究，建立了一些逼真度更高的多学科耦合模型。如文献 5 4 通过建立机油与油底 壳的液固耦合模型，对油底壳表面辐射声场进行仿真分析：文献 5 5 通过分析活 塞与其相互关联边界的耦合作用，确定活塞热分析的边界条件；文献 5 6 联合使 用a d a m s 和弹性流体动力学子程序建立了油膜流体动力学模型，对曲轴系柔性多 体系统动力学与油膜动力润滑进行耦合仿真；文献 5 7 通过考虑活塞组、润滑油 膜和气缸套之问的耦合传热模型，来模拟燃烧室零件的真实三维传热过程；文献 5 8 和 5 9 则主要在缸套一活塞系统的摩擦学与动力学耦合分析，以及曲轴主轴 承油膜动力润滑与系统动力学的耦合分析等方面进行了相关研究。 近年来，建立在多学科耦合建模基础上的多学科优化设计( m u l t i d i s c i p l i n a r y d e s i g no p t i m i z a t i o n ，m d o ) 日益受到重视。m d o 是一种全新的优化设计方法， 美国航空航天学会技术委员会给出的一种相对严谨的定义为：m d o 是一种通过 充分探索和应用系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。 其主要思想，是在复杂产品设计的整个过程中，利用分布式计算机网络技术米集 成各个学科( 子系统) 的知识以及分析和求解工具，应用有效的优化设计策略， 组织和管理整个优化设计过程。其目的是通过充分利用各个学科( 子系统) 之间 耦合作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解。多学科优化的研究内容归 纳为如下几个方面：建模方法、基于设计过程的分析、近似方法、灵敏度分析方 法、分解规划方法、优化求解策略及构造系统集成平台等【删。国内曾提出与m d o 相似的“广义优化”概念，其理念是实现多学科、多方面性能、多计算机分布式 并行协同优化，以追求综合优化解【6 1 6 2 1 。 对于多学科优化来说，重点在于不同学科分析的组织协调和设计优化。优化 设计模型一般表达为设计变量、目标函数、约束函数等要素组成的数学模型。由 于多学科优化的特点，直接搜索法难以被采用，因而普遍采用近似方法 6 3 - 6 5 ，如 响应面方法。为了跟踪学科之间的相互影响，全局灵敏度分析方法( g s e ) 脚】 被研究和改进。在复杂产品的多学科优化中，为了克服数学模型复杂和计算量大 等困难，通过分解协调将一个复杂的大系统分解为多个相互独立、容易求解、规 模较小的学科( 子系统) 。分解主要从数学模型求解的角度和便于管理的角度进 行【6 7 一引。优化算法是优化设计领域研究的重点。现有的优化算法包括两大类： 一类是具有严格数学定义的经典优化算法，如梯度法、内点法等；另一类是在产 品优化设计中应用更为广泛的进化计算、神经网络等算法。多学科优化求解策略 是针对具体设计问题而采用的优化结构，其核心问题是如何合理地组织各个学科 分析，尽可能在保证精度的情况下，节约计算资源，目前的方法主要有：多学科可行 方法( m u l t i d i s c i p l i n a r yf e a s i b l em e t h o d ，m d f , 也称为灿1 i n o n e ，a i o 方法) 、单 学科可行方法( i n d i v i d u a ld i s c i p l i n ef e a s i b l em e t h o d ，i d f ) 、同时分析优化算法 ( s i m u l t a n e o u sa n a l y s i sa n dd e s i g n ，也称1 a t o n c e ，a a o ) 、并行子空间优化方法 ( c o n c u r r e n ts u b s p a c eo p t i m i z a t i o n ，c s s o ) 、协同优化方法( c o l l a b o r a t i v e o p t i m i z a t i o n ，c o ) 、b l i s s 方法( b i 1 e v e li n t e g r a t e ds y s t e ms y n t h e s i s ) 等【6 弘乃】。其中 并行子空问优化方法和协同优化方法是近年来受到广泛关注的两种优化求解策 略。 对于多学科耦合的优化问题，核心仍在于对耦合因素的处理【7 4 75 1 ，耦合因素 6 的存在直接导致各子系统能否求解或采用何种方式求解才能使得最终结果收敛 于系统整体最优解。不同学科间耦合问题的求解是多学科优化的基础，如文献 7 6 】 讨论了同时考虑传热和应力及其耦合情况下的结构优化问题，8 6 3 计划支持开发 的有限元分析与结构优化设计j i f e x 软件，较好地解决了热结构耦合计算问题 1 7 7 7 引。 1 2 4 内燃机中的摩擦磨损 本文将以内燃机为对象，研究其性能退化情况以及面向时变性能的设计方法。 对于内燃机来说，摩擦磨损是其最为典型的系统时变现象，因此在此概述内燃机 摩擦磨损的相关研究。 内燃机白诞生以来，已经成为人类生产和生活中重要的动力设备，目前已广 泛用于汽车、船舶、飞机、坦克、铁路机车、农业机械、工程机械、发电机组等 多个行业，并在汽车等多个行业占据绝对主导地位。可以预见，在未来相当长的 一段时问之内，内燃机行业仍将继续发展，内燃机也仍将是许多行业中起主导作 用的动力设备。因此，鉴于全社会如此之多的内燃机保有量，对内燃机的研究和 性能改进将具有非常重大的意义。 目前，内燃机继续发展的挑战集中在两个方面，一是经济性，二是环保。原 油紧缺及由此带来的原油价格飞涨要求内燃机必须以更高的经济性工作。由于内 燃机的保有量庞大，内燃机的废气排放已经成为重要的污染源。据悉，在上海市 中心城区的c o 、h c 和n o x 的排污分担率中，由机动车承担的比率已达到8 6 、9 6 和5 6 t7 9 1 。因此内燃机研究的重点在于如何提高内燃机的经济性和降 低内燃机的排放水平。多年来，内燃机的新一代燃烧技术、电控喷油技术、替代 燃料【8 0 】以及排气后处理技术等的发展，大大提高了内燃机的性能。随着内燃机 技术水平的提高，在上述技术领域内大幅度提高内燃机的性能水平已经越来越困 难。在此情况下，内燃机摩擦和磨损的研究有望对改善内燃机的性能做出有价值 的贡献。这表现在两个方面： 一是通过降低摩擦损失，可以有效提高内燃机的经济性。m i c h a e l t 引】和 r i c h a r d 8 2 】指出，摩擦损失每降低1 0 ，经济性可改善3 5 ，动力性也相应 提高。东风汽车公司轴瓦厂产品科、东风汽车工程研究院在对e q 6 1 0 0 型汽油机 进行改变加1 = 参数( 改进缸孔珩磨质量) 和活塞组结构的摩擦对比试验后，得出 的结果也验证了m i c h a e l 和r i c h a r d 的结论【8 3 1 。 二是内燃机是一种持续运转的动力设备，其性能会随着运转过程中系统结构 的变化而衰退。其中，内燃机的磨损是最为典型的系统衰退现象，并且由此带来 发动机的经济性、动力性大幅下降，排放水平大幅上升。 因此研究内燃机的摩擦、磨损具有非常重要的意义。在内燃机众多的摩擦副 7 中，活塞组和缸套这对摩擦副最为关键。美国c u m m i n s 公司r i c h a r d o n t 酬以其本 公司的柴油机产品为对象，对其燃油能量中的机械摩擦损失进行了多次实验和统 计之后，发现总机械摩擦损失占全部能量的比例最多可达到1 5 ；而在全部机 械摩擦损失中，活塞连杆组所产生的摩擦损失，占有比例达4 0 4 5 ；在活塞 连杆组总的摩擦损失中，活塞占的比例为2 5 4 7 ，活塞环占的比例为2 8 4 5 。而早期的研究【8 5 。8 9 】表明活塞系统摩擦损失占全部机械摩擦损失的比例更高达 5 8 7 5 。得益于多年来内燃机摩擦学特别是活塞系统摩擦学的研究工作， 内燃机的摩擦损失已经显著降低，从而经济性得以明显改善【船9 4 1 。 活塞组和缸套之间的摩擦磨损研究一直是内燃机摩擦学的热点。自1 9 2 5 年 s t a n t o n 9 5 首次发表了缸套一活塞环的摩擦力研究结果后，活塞环摩擦及润滑问 题的重要性得到了人们的普遍认可。随后，f o r b e s 9 6 1 、l e a r y 【9 7 1 以及l i v e n g o o d 9 8 】 等许多学者，都分别研究活塞环摩擦力的测量。1 9 6 0 年，b a r r o s 使用往复试验 机分析了润滑油粘度不同时活塞环摩擦力的变化及减摩添加剂的效应【恻。 f u r u h a m a 等测量了活塞环摩擦力在整个柴油机工作循环内的变化，提出了摩擦 力主要是受油膜混合润滑区域影响的论断【1 0 0 ，1 0 1 】。r i c h e z 从理论和实验两方面对 缸套一活塞环问的摩擦力进行了研究，指出在低速及低粘度条件下混合润滑具有 更加显著的作用【l0 2 1 。c h o 设计了一种改进的活动缸套法，用来测量不同转速、 润滑油粘性和活塞环弹性下的活塞摩擦力【l 。t a k i g u c h i 用一种s 0 2 跟踪技术在 直喷柴油机上测量了活塞环弹力对活塞摩擦力和油耗的影响【1 0 4 。d o n a h u e 1 0 5 1 、 d u c udo i 0 6 分别采用电容法测量活塞环与缸套之间的油膜厚度，即在缸套上安 装一个探针，依靠活塞环与探针之间的电容来分析测量结果。为了测量活塞组与 气缸套间瞬时摩擦力，c h os u n gw o o 提出了一种改进的移动缸套技术，并且使 用一种气体传感器制成了活塞环油膜厚度测量装置【1 0 7 1 。 缸套一活塞环中的润滑是降低摩擦损失的有效途径。在活塞环的润滑研究方 面，c a s t l e m a n 最先进行了活塞环的流体润滑计算，证实了表面外凸的活塞环可 以在它和缸套间产生一定厚度的油膜【i 明】。后来f u r u h a r n a 在研究中把挤压效应考 虑进来，就可以在整个循环的计算中进行求解【1 0 9 。计算机出现之后，学者们开 始应用计算机仿真来预测活塞环和缸套间的流体动力润滑和油膜厚度 o 。刃。2 0 世纪7 0 年代，p a t i r 和c h e n g 提出了平均流量模型【1 1 3 1 1 4 】；d o w s o n 等人在提出了 单环润滑的计算方法后，又把对油膜厚度和摩擦力的研究推广到环组【5 1 。后来， r h o d e 采用平均流量模型以及g r e e n w o o d 和t r i p p 的微凸体接触模型1 16 | ，分析 了动载荷下活塞环的润滑问趔1 1 7 】。1 9 9 1 年孔凌嘉对单活塞环与多活塞环条件下 的润滑和摩擦进行了分析 1 1 8 。w a k u r i 通过对多活塞环的研究，提出活塞环在运 动中会出现贫油状况，而贫油对活塞环摩擦力有比较大的影响【l i9 1 。a r c o u m a n i s 把润滑油考虑为牛顿流体和剪切薄层流体，建立了一个混合润滑模型，在模型中 以粗糙度的变化作为主要的影响因素 12 0 1 。g a l l i g a n 1 2 1 ，1 2 2 1 、p r i e s tm e l 2 3 1 、c h om r 【1 2 4 1 、l i uk 【1 2 5 1 、a k a l i no 【1 2 6 ，1 2 7 】等人也相继研究了缸套表面粗糙度的影响。 y a n g 在考虑活塞环弹性条件下分析了活塞环的二维润滑 1 2 8 。刘煜考虑活塞的二 阶运动，利用二维平均流量模型和微凸体接触模型建立了非轴对称情况下的理论 模型，得出沿活塞环周向的油膜厚度不均匀的结论【1 2 9 】。h a n g a y a 1 3 0 1 、h a m a t a k e t o s h 砷【1 3 i 】、t o s h i r oh a m a 协k e 【1 3 2 】、h a f i g a y ay 1 3 3 1 、f r o e l u n dk 1 3 4 1 、e j a k o v 【1 3 5 】 等人研究了润滑油粘性对油膜厚度和摩擦力的影响。考虑到内燃机的气缸套变 形，马明堂建立了一个可以考虑圆形和非圆形缸套的润滑模型，该模型包含了缸 套变形程度、环的适应性、环面轮廓等若干变化参数，致力于进一步详细的润滑 计算【l 弧1 3 引。h a r g r e a v e s 研究了缸套不同的珩磨速度和角度对摩擦力的影响，认 为在珩磨角度为6 0 度时加工出来的缸套表面具有最小的摩擦力【1 3 9 】。s a n d a 分析 了入口贫油对活塞环组油膜厚度的影响 1 4 0 】。t i a nt 】研究了活塞和活塞环动力学 问题对摩擦、磨损和润滑油输送产生的效应【1 4 1 1 4 2 。s t a n l e y 则分析了活塞环表面 几何形状为斯特里贝克( s l r i b e c k ) 曲线时的活塞环摩擦力【1 4 3 1 。 由于工作条件极为恶劣，活塞环的磨损问题非常严重。1 9 7 0 年，n e a l e 阐述 了缸套活塞环可能的磨损机理【l 州。1 9 7 4 年，t i n g 提出了基于a r c h a r d 磨损定律 的磨损模型，用于分析缸套活塞环的磨损问题【1 4 5 1 。8 0 年代，又有e y r e 、s u d a r s h a n 等学者对磨损特性进行分析和测量，研究缸套的磨损过程以及润滑油对磨损的影 响【l 帆1 4 7 。p r i e s t 以卡特皮勒公司的单缸柴油机为对象，在恒定转速下分析活塞 环组的润滑和磨损，并特别对顶环的摩擦学行为做了研究【1 4 引。2 0 0 5 年，密西根 州立大学的b o o n k e a tc h u i 在其博士论文中也基于a r c h a r d 磨损定律对活塞环和 缸套的磨损进行了预测分析和测量【1 4 9 1 。 活塞裙部的摩擦是活塞组摩擦损失的组成部分。在上世纪5 0 年代，h e l d t 1 5 0 】 和b u r r e l l 1 5 1 1 分别从动力学平衡的方法来减小活塞的敲缸问题，但是由于没有考 虑活塞裙部和缸套问的流体动力润滑问题，计算结果与实际情况有较大出入。后 来，活塞裙部和缸套之间的油膜作用被发现和研究【1 5 2 j 州。但是纯粹的润滑计算 如果不与活塞受力平衡方程相结合，也无法得到活塞的运动轨迹。1 9 8 3 年，l i 和r h o d e 把活塞受力平衡方程和流体润滑方程结合起来，从而使该领域的研究 前进了一大步i l j 。至此，活塞的二阶运动受到关注。后来，z h ud o n g 等首次建 立了活塞裙部与缸套间的混合润滑模型，其中考虑了表面粗糙度、活塞裙部型线、 热变形和二阶运动【1 5 6 1 5 7 。k o i z u m i 等学者通过对活塞裙部轮廓线型进行优化， 使活塞对汽缸的拍击得以减少 1 5 8 】。c h osh 提出了一个可以包含质量、弹性模 量、阻尼常数等参数的分析模型，用来分析活塞对汽缸的冲击力【”9 1 。g e r g e ssn y 则进一步研究了油膜对冲击行为的影响，并分析了油膜中气泡的影响【l t o 。国 内的相关研究也很活跃。姜恩沪 1 6 1 、桂长林【1 6 2 】等进行了活塞二阶运动的分析； 裘祖干【1 6 3 】等对活塞运动历程进行了研究；刘煜【1 6 4 ，1 6 习给出了活塞在混合润滑状 态下的二阶运动分