近日，哈工程烟台研究院科研团队成功研发覆盖装备全生命周期的多维度摩擦动力学仿真完整体系，相关核心成果在国际机械领域顶级期刊《International Journal of Mechanical Sciences》（国际机械科学杂志）上发表，烟台研究院研究生何静为第一作者，李瑞教授为通讯作者。该成果一举突破传统仿真技术的两大“先天缺陷”，补齐了高端动力装备长时寿命精准预测的技术短板，为我国船舶、航空、深海重工等“国之重器”的自主研发提供了核心理论支撑，标志着我国在装备摩擦动力学基础研究领域实现又一突破。

图1 整体技术路线

传统仿真软件，到底“卡”在哪里？

柱塞与套筒滑动配对件相当于航空燃油泵、船用大功率柴油机、深海高压液压系统等核心装备里的“关节”。

机器高速运转时，零件振动、润滑油状态、受力形变、摩擦高温、表面磨损这五大因素会“抱团”互相影响，形成一个极其复杂的物理场“组合拳”，直接决定了装备能用多久、靠不靠谱。

过去，全球通用的仿真工具一直存在两个“硬伤”：

一是传统软件只能模拟设备一个工作周期的瞬时工况，但一台设备要连续运行几千甚至上万小时，这个过程就像人从年轻到衰老——只看“一段时间的体检报告”，根本判断不了未来的性能与发展。

二是传统软件默认零件表面的粗糙度是固定的，但现实是，摩擦过程中微观粗糙峰不断被磨平，零件整体轮廓也在变化，这种“双同步磨损”传统软件完全没法模拟。结果就是：仿真结果和真实老化情况相差巨大。

受这两大不利因素制约，我国高端装备耐久验证长期以来只能靠大量样机试制和上千小时实物试验，研发周期长、成本高。而且关键仿真软件长期依赖海外工具，还存在数据安全风险。

哈工程团队用“三大首创”破局

烟台研究院科研团队历时多年攻关，打造出一体化仿真平台，实现了三个世界级的原创突破：

突破一：让四大物理过程“同频共振”

过去，传统软件对多物理场采用“分步计算”——先算振动、再算润滑、再算形变……就像几个人各唱各的，节奏对不上。哈工程团队直接摒弃这种拆分式思维，将系统振动、油膜润滑、结构形变、摩擦生热四大物理过程同步联立求解。无论高温还是低温、载荷变多变少，都能完整复刻极端服役环境，仿真贴合度大幅超越同类软件。

突破二：给零件表面实时更新“身份证”

团队创新性地实现了零件整体轮廓与表面粗糙峰两类磨损的同步计算——这就好比给零件表面建了一个“动态档案”，通过真实磨损实验校准表面形貌演变规律，系统会实时更新零件的粗糙状态。彻底解决了传统模型“表面永远不变”的固有缺陷，长时磨损测算误差大幅缩小。

突破三：构建“磨损-动力学”双向实时反馈闭环

零件磨损了，内部间隙就会变大；间隙变大了，又会反过来影响振动幅度、润滑效果和摩擦发热——这是一个环环相扣的“多米诺骨牌”效应。团队打造的系统实现了全程双向数据互通，完整复现了设备从全新到长期老化的全生命周期演化规律，可以一次性模拟数千小时连续工作的全过程。

图2 跨尺度磨损演化试验标定

图3 多场耦合效应分析—温度场

图4 多场耦合效应分析—结构振动

算得快、算得准，效率提升数倍

长周期仿真对算力要求极高，团队还自主研发了“时标分离加速计算策略”——相当于在保证精度的前提下给仿真“开加速器”，计算效率提升数倍。经过标准实验与实体往复磨损试验双重校验，充分验证了体系的精准度与工程实用性。

更关键的是，对标主流商用仿真工具后，实验证实：环境温度与材料磨损系数是决定装备老化速度的两大关键变量。如果忽略微观表面磨损演化，长期寿命预测将出现“量级偏差”——也就是预测结果可能差出十倍甚至百倍。

依托这套仿真平台，研发人员可以精准指导零件外形优化、耐磨涂层设计以及检修周期规划，从源头提升高端装备可靠性与服役年限。成果可全面赋能国产航空动力、远洋船舶、深海勘探等关键装备研发，大幅削减样机试制与试验规模，缩短研发周期、降低投入。

面向未来，团队将持续迭代完善仿真体系，新增材料疲劳损伤耦合模块，拓展复杂工况适配能力，以原创硬核理论护航我国高端动力装备产业高质量发展，为制造强国、海洋强国战略贡献“哈工程”力量。