缸套-活塞环组作为内燃机内的关键摩擦副,对实现节能减排的目标至关重要。该摩擦副的性能一直受到学术界和工业界的广泛关注。此外,在内燃机运行过程中,由于磨合和磨损的存在,缸套和活塞环表面形貌(尤其是缸套表面形貌)和系统摩擦学性能都处于动态演变过程之中,甚至会产生拉缸等严重的失效现象。缸套-活塞环组的摩擦学性能以及表面形貌演化过程,与摩擦副设计、润滑油供应和工况条件等多种因素影响有关。研究表明,摩擦副表面的宏观形状、微织构和粗糙度对系统的摩擦和润滑性能均具有不可忽略的影响。考虑这些不同尺度下的结构特征进行混合润滑建模分析,将对系统的摩擦学性能改进提供有力的支持。对工程摩擦副来说,精确仿真模型方法因计算成本太高而不可行。因此本文将研究一种既能够精确考虑多尺度影响,又具备高计算效率的多尺度均匀化混合润滑模型方法。本文首先针对缸套-活塞环组接触界面的多尺度特征建立了双尺度均匀化混合润滑模型。接着,分别在贫油和缸套变形条件下,分析接触界面多尺度特征对系统性能的影响。随后,构建了双尺度磨损模型,在磨损过程与混合润滑过程的耦合分析的基础上,对缸套表面形貌演化和系统摩擦学性能演化进行了仿真预测和试验验证。最后,在分析了缸套表面形貌对缸套-活塞环系统摩擦学性能的影响后,针对某款柴油机,设计开发了两种改进的缸套,并分别进行模拟和试验验证。全文的主要内容和贡献如下:(1)建立了缸套-活塞环系统的双尺度均匀化混合润滑模型。基于数学形态法,对缸套表面的平台粗糙度和表面网纹进行了分离。根据尺度关系,所建立的均匀化混合润滑模型在局部尺度考虑平台粗糙度的影响,而在全局尺度考虑宏观几何形状和表面网纹的影响。详细给出了一维和二维均匀化雷诺方程的推导和高效数值求解方法,以及相应的一维和二维精确接触模型的高效求解方法。求解均匀化雷诺方程时,先求解局部问题,获得均匀化流量因子,进而求解均匀化雷诺方程,最终获得均匀化油膜压力。均匀化解可以准确地捕捉到精确解的压力场形状和大小,并且,计算量大幅降低。精确接触模型中,由于采用大量节点对表面形貌进行了准确描述,计算量巨大,因此采用离散卷积快速傅里叶变换(DC-FFT)进行加速计算。(2)以基于质量守恒的二维双尺度均匀化混合润滑模型为基础,分析了摩擦副界面多尺度特征在贫油和缸套变形条件下对缸套-活塞环系统性能的影响。贫油和缸套变形是发动机运行条件下的普遍情形。针对现有研究经常忽视贫油条件下网纹储油的功能的情况,在考虑网纹储油的条件下,构建了新型的流量连续润滑模型。活塞环组中每道环的供油量通过对润滑油传输进行分析获得。为了考察网纹储油功能对润滑性能的影响,缸套网纹中储存的润滑油将作为进口处的额外供油量进行计算。所构建模型对于深入理解和优化缸套-活塞环组意义重大。结果表明:和富油情况相比,当考虑流量连续时,环组内每道环的最小油膜厚度基本处于同一水平。缸套网纹储油有助于提高活塞环组的润滑性能,减少摩擦损失和提高耐磨损能力。在同时考虑摩擦副界面多尺度特征和缸套变形的情况下,所面对的主要问题是计算量非常庞大。在分析缸套变形和活塞环适应性的特点基础上,为了减少计算量,缩短计算时间,选取周向1/8区域作为求解域,求解域边界施加对称边界条件。分析结果表明:考虑缸套变形后,随着变形量增大,周向间隙增大,油膜承载力降低,顶环和第二道环的最小油膜厚度降低,流体摩擦力减小,微凸体摩擦力增大。而对于油环,在本文考虑的缸套变形量范围内,由于径向弹力较大,活塞环和缸套在整个循环内可以完全贴合,最小油膜厚度几乎不变,摩擦力也基本保持不变。(3)构建了缸套-活塞环系统的双尺度磨损模型并预测了缸套表面形貌演化。在假定活塞环表面光滑并且忽略活塞环磨损的前提下,基于双尺度均匀化混合润滑模型,考虑润滑和磨损的耦合过程,对缸套表面形貌及系统的摩擦学性能演化过程进行了分析预测。在接触计算基础上,将缸套的表面形貌演化计算分为两个阶段:第一个阶段,局部尺度平台粗糙度的磨合;第二阶段,全局尺度网纹的磨损。在局部尺度研究了平台粗糙度的磨合对均匀化流量因子和接触刚度的影响。在全局尺度研究了网纹的磨损对润滑性能(油膜承载力,接触力和摩擦系数)的影响。并分别在往复摩擦磨损试验机工况下和实际发动机工况下对模型仿真结果进行了试验验证。结果表明,所构建的双尺度磨损模型能够为预测和改善发动机缸套-活塞环系统的寿命提供有效的手段。(4)针对特定发动机的缸套-活塞环系统进行分析改进并进行了试验验证。基于所建立的双尺度均匀化混合润滑模型,研究了缸套表面形貌对缸套-活塞环系统摩擦学性能的影响,分析中考虑不同工况(低速重载和高速轻载)、不同活塞环型线(非平活塞环和平活塞环)及不同平台粗糙度(高平台粗糙度和低平台粗糙度)对网纹参数优化的影响。然后,针对某型号发动机对缸套表面形貌进行了设计改进。倒拖试验结果表明,缸套表面形貌设计改进之后,摩擦损失的减摩比例最高可达8-16%。