核主泵静压型轴封系统二级密封机理研究

核主泵轴密封是核电设备的关键部件之一,探究其密封机理,实现国产化设计,具有重大意义.核主泵静压型轴封系统二级密封一般设计为一级密封失效时承受全部载荷.所研究的二级密封结构全压差(15.5 MPa)工作时的密封机理尚不明确.本文中采用流固耦合模型研究了一级密封失效时,二级密封的工作机理.结果表明:一级密封失效时,二级密封是非接触式静压型密封.在压差和动环变形环板变形产生的力的共同作用下,密封端面形成锥角为1 300.9μrad的收敛间隙;当入口水温65℃时,泄漏率为1 867.8 L/h.动环变形环板的变形有阻碍动环变形锥角增大的作用.动环变形环板厚度越大,密封泄漏率越大.密封介质入口温度以及材料的摩擦性能对密封性能亦有影响.此外,一级正常工作时,二级密封是接触式形式,采用混合润滑模型对其性能作了分析,分析表明一级密封正常工作时,二级密封压差约为0.17 MPa,密封为混合润滑状态,泄漏率为11.4 mL/h,端面温升23.9℃.     

瞬态载荷下L4/L5椎间盘内流固耦合效应

中医正脊治疗通过对腰椎施加瞬态拉伸和旋转来治疗腰椎间盘退变, 本文采用考虑流固耦合效应的数值模拟研究其生物力学机制. 通过实验测量和文献调研, 确定了合理的拉伸和旋转的载荷参数; 发展了使用人体断层扫描图像结合解剖学数据建立详细腰椎几何模型的方法; 将松质骨、终板、椎间盘考虑为多孔弹性介质, 其他组织考虑为线性弹性介质, 进而建立了考虑生物组织中流固耦合效应的物理模型; 通过数值模拟得到了不同瞬态载荷及其组合作用下椎间盘内应力?应变与流体流动的变化规律. 研究发现, 瞬态载荷通过改变L4/L5椎间盘基质应力和髓核内外压力梯度, 在髓核中产生流体流动; 拉伸加载引起流体先流出髓核、再流入髓核, 产生含水量变化; 顺时针旋转加载在髓核左右产生相反的流动, 髓核右侧的含水量变化较左侧大. 本研究所采用的方法为流动过程相关的人体椎间盘退变病理生理机制研究提供了新的方法, 为中医正脊研究提供科学化思路, 也为相关的力学-生物学耦合研究和髓核再生的基础研究提供了一个切入点.      

不同速度及载荷作用下焦粉润滑特性的试验研究

将焦粉导入摩擦副间,研究不同速度及载荷作用下钢、焦粉、耐火砖三体接触状态下焦粉润滑特性. XRD测试结果表明焦粉微晶结构发生石墨化.通过对比无润滑及焦粉润滑对摩擦界面的影响,进一步验证了焦粉具有良好的润滑性能.此外,通过改变试验的速度及载荷,探究不同速度及载荷作用下粉末层成形机理及焦粉润滑特性.结果表明:载荷为5 MPa,速度分别为0.05、0.20和0.40 m/s时,速度越大,粉末层越厚,焦粉润滑性能越好;而速度为0.55 m/s时,由于速度过大,焦粉被抛出摩擦界面,表面发生严重磨损,并引发振动发生.速度为0.40 m/s,载荷分别为5和15 MPa时,载荷越大,越不利于形成粉末层,载荷分别为20和25 MPa时,粉末层发生不同程度的破坏,表面磨损严重.     

聚乙烯醇水凝胶/钛合金摩擦磨损特性的正交试验研究

利用冷冻-解冻法制备聚乙烯醇(PVA)水凝胶,运用正交试验法在球-盘摩擦磨损试验机上研究滑动速度、载荷和润滑状态对PVA水凝胶/钛合金摩擦副摩擦系数的影响及在不同载荷下的磨损性能.结果表明:滑动速度、载荷和润滑状态3种因素对PVA水凝胶/钛合金球摩擦副的摩擦系数影响显著程度由高到低依次为载荷＞滑动速度＞润滑状态;在干摩擦和水润滑状态下,摩擦系数变化甚微,平均摩擦系数随滑动速度的增加而下降,随着载荷增加而升高;当转速从110 r/min升至220 r/min时,平均摩擦系数从0.038降至0.031,降幅达19.4%;当载荷从5 N增至10 N时,平均摩擦系数从0.027增至0.042,增幅达51.8%;PVA水凝胶的磨损率随载荷增加而降低且载荷对磨损率影响的显著程度逐渐降低;当载荷从5 N增至10 N时,磨损率降幅高达2.6倍,当载荷从10 N增至15 N时,仅下降35%.     

考虑渗流影响的球孔扩张理论解答

为研究沉桩过程中渗流作用下球孔扩张引起的土体力学响应,基于桩端应力为三轴压缩状态下的空间滑动面(SMP)准则和非相关联流动法则,考虑渗流和剪胀特性等因素的综合影响,结合弹塑性边界条件推导了饱和无黏性土球孔扩张问题的弹塑性解答。利用体积守恒并考虑塑性区的弹性变形条件,得出了极限扩孔压力的理论解答。在此基础上,通过与不考虑渗流影响的球孔扩张解答对比,研究了渗流体积力对球孔扩张中应力和塑性区半径的影响。研究结果表明:随着渗流体积力的增大,扩孔压力和塑性区半径均减小;剪胀特性对土体的位移和变形影响显著,随着剪胀角的增加,扩孔周围土体的径向位移减小,并沿径向逐渐趋于零;随着土体强度的增大,扩孔压力明显增大。该解答可为富水工程中进行扩底沉桩等岩土渗流问题提供必要的理论依据。     

曲率半径对前缘气动热与结构响应的影响

针对高超声速飞行器铌合金前缘结构, 研究了不同曲率半径对前缘结构 温度场、应力场和变形场的影响. 首先建立高超声速气动加热模型, 采用有限体积法得到热 环境参数, 并运用有限元法计算结构的温度、应力和变形. 结果表明: 不同时间的温度场分 布和曲率半径密切相关, 温升过程中应力最大值出现在曲率半径为1\,mm时; 随时间推移, 曲 率半径越大应力越低; 而位移随曲率半径的增加而增大.     

氧化锆陶瓷/碳纤增强聚醚醚酮在水润滑下的摩擦磨损特性研究

在材料端面摩擦试验机上对氧化锆陶瓷与碳纤增强聚醚醚酮(CFRPEEK)配副在水润滑条件下的摩擦磨损特性进行了试验研究,探讨了滑动速度和接触压力对材料摩擦磨损的影响规律.发现氧化锆陶瓷与CFRPEEK配副在水润滑条件下的摩擦系数随速度增加而减小,在速度较低时,存在明显的磨合过程;速度较高时,摩擦系数较小且随滑动过程变化很小,CFRPEEK的磨损率随速度变化不大.压力为0.4和0.5 MPa时,CFRPEEK的摩擦系数和磨损率均较小,但当压力达到0.8 MPa时,摩擦系数显著增加且剧烈振荡,并发生严重磨损.CFRPEEK的磨损机理主要是黏着磨损,氧化锆陶瓷磨损的主要机理是应力引起的点蚀.     

分形表面接触变形对部分膜润滑的影响

在M-B分形接触模型的基础上,利用引入接触因子的平均流动模型,分别计算在考虑和不考虑分形表面接触峰变形情况下的流量因子和接触因子,研究分形表面接触变形对润滑状态的影响.结果表明:接触变形使得各因子减小,其中对剪切流量因子的影响最大,对压力流量因子和接触因子的影响相对较小,尺度系数越大,接触变形对剪切流量因子最大值的影响越大,剪切流量因子变化越缓慢,弹塑性变形的转化范围越宽;对于一定的名义膜厚,随着分形维数增加,接触弹塑性的转变会使变形对各因子的影响先增后减;对于相同的尺度系数,接触变形对流量因子的影响在相同的分形维数范围内达到最大值.     

外加直流电场对DLC/PAO固液复合润滑体系摩擦学行为的影响

本文中利用球-盘式载流摩擦试验机研究了DLC/PAO固液复合润滑体系在外加直流电场中的摩擦学行为,考察摩擦副滑动速度、加载电压以及回路电流的影响,结果表明:外加直流电场对复合润滑体系摩擦磨损行为的影响与摩擦副的滑动速度密切相关,这源于不同润滑状态时DLC薄膜的电气损伤行为以及薄膜的结构、成分变化.根据润滑状态和外加电压的不同,DLC薄膜的电气损伤可以表现为线状隆起或烧蚀坑,其中线状隆起型损伤源于载流摩擦界面的焦耳热,烧蚀坑损伤则源于摩擦对偶之间的拉弧放电及PAO油膜的击穿.Raman光谱显示电气损伤区DLC薄膜发生显著的石墨化转变,且石墨化程度取决于回路电流的大小.外加电场条件下DLC薄膜的石墨化转变虽然在一定条件下可使复合润滑体系的摩擦系数降低,但削弱了DLC薄膜的抗磨性能,使薄膜的磨损表现为电气损伤和机械磨损的耦合.     

页岩储层应力敏感性定量评价: 思路及应用

应力敏感性定量评价是页岩油气勘探开发中公认的关键工程难题之一, 然而变应力条件下页岩孔缝尺寸及渗透率下降规律等问题至今尚无定论, 亟待深入探索. 本文从Griffith经典弹性力学解出发, 在充分刻画非均质页岩孔隙和微裂缝的基础上, 通过建立横截面为椭圆的柱体管束模型, 推导得到应力作用下岩石渗透率保持水平的计算公式, 基于此给出适宜于非均质页岩油储层的应力敏感性评价思路及覆压渗透率计算公式, 最后在中国西部和中部典型页岩油储层中开展了工程应用. 研究显示: (1) 相同应力状态下, 页岩油储层应力敏感程度由储渗空间初始长短轴比值、杨氏模量及泊松比共同控制; (2) 裂缝型页岩由于发育长短轴比值较高, 其应力敏感程度略高于裂缝发育程度较低的基质型页岩, 且杨氏模量越小, 两类页岩应力敏感程度差异性越大; (3) 在40 MPa的有效应力作用下, 裂缝型和基质型页岩油储层渗透率损耗程度最高值分别不足10%和8%, 证明页岩应力敏感程度总体较低. 应力敏感性对于页岩油原位储量及实际产能的影响程度亟需在工程实际中予以重新审视. 研究成果将为页岩油储量的精确评估和采收率的高效提升提供新的理论与实践依据.      

表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响

采用SRV-4微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水润滑条件下,表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响.结果表明:干摩擦时,随着UHMWPE表面粗糙度的增加,摩擦系数先降低后升高,比磨损率则单调递增.利用光学显微镜和扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行分析观测,发现干摩擦时表面粗糙度较小的UHMWPE磨损表面有少量犁沟,并伴随轻微的塑性变形,随着表面粗糙度的增加,摩擦副接触表面间的黏合点增多,黏着磨损加剧,且在对偶钢球的表面形成转移膜.而在水润滑条件下,摩擦系数和比磨损率显著降低,随着表面粗糙度的增加,摩擦系数和比磨损率同干摩擦时的变化趋势一致,磨损以磨粒磨损为主.     

表面特性对纯滑弹流油膜形状和摩擦力的影响的试验研究

针对界面滑移效应可能产生较低的摩擦力,采用具有不同表面浸润性的玻璃盘,进行了纯滑弹流润滑试验.在采用SiO2镀膜玻璃盘的球-盘接触高聚物纯滑润滑试验中,从弹流到动压润滑的摩擦系数曲线呈现不同于传统Stribeck曲线的两个拐点.两个拐点分别与凹陷出现及弹性变形消失相关联.在较低载荷下,不同盘表面产生相近的干涉图像和摩擦系数曲线,高聚物的非牛顿效应产生的表观滑移可能是入口凹陷及非典型摩擦系数曲线的主因;在较高载荷下,盘滑试验中铬盘产生的摩擦系数和油膜厚度均较SiO2盘低,具有较低表面能的铬盘产生的界面滑移被认为是产生较低摩擦系数的主因.     

A solution to the hydrodynamic lubrication of a circular point contact sliding over a flat surface with cavitation

This letter presents an analytical solution to the hydrodynamic lubrication of a circular point contact sliding over a flat surface with cavitation. The solution is found by solving the Reynolds equation with Reynolds boundary condition for cavitation. The cavitation boundary is shown to be straight lines directed 108.4° against the sliding direction. The result is experimentally verified in the limit of large values of viscosity, sliding velocity and radius of a spherical ball. The solution raises questions about the coupling between cavitation and film rupture and can be used as an independent check on the validity of numerical solutions.     

RV减速器主支撑角接触球轴承混合润滑分析

针对RV减速器角接触球轴承承受预紧力、轴向力和径向力等联合外载荷作用的工况,分析得出了内、外圈滚道接触界面的接触区几何参数和接触载荷.在此基础上,综合考虑了角接触球轴承的接触区宏观几何、接触载荷、真实表面粗糙度、瞬态效应等因素,建立了角接触球轴承混合润滑数学模型,分析了在不同工况下角接触轴承的润滑状况及表面以下应力分布.结果表明:随着载荷的不断增加,钢球与内圈沟道之间的油膜厚度会不断减少,导致干接触面积迅速扩大,接触点表面以下最大应力增大;转速的增加会使油膜变厚,干接触面积缩小.该结果对角接触球轴承的实际工程应用具有重要借鉴意义.     

超高速微转子系统磨损特性的研究

针对高速旋转微电机中典型的转子轴衬摩擦磨损问题,以半球形轴衬为研究对象,提出了1种描述其磨损过程的线性滑动磨损模型,建立了半球形轴衬-极板接触有限元模型,分析微转子轴衬的磨损特性和轴衬-极板接触副的接触动力学特性,研究接触副几何结构参数和操作参数对微转子系统磨损特性的影响.结果表明:在MEMS微转子系统中,微转子轴衬偏心距离和转子轴衬半径影响线磨损率,以两者减至最小为较理想,但须注意设计中轴承半径的限制,并使轴衬偏心距离大于轴承内半径;在转子加工制造许可的范围内,可以通过调整转子轴衬的半径和偏心距离来减少摩擦磨损对微电机的影响,随着转子所承受载荷和转子旋转速度的增加,其磨损严重;接触区的应力分布不同于经典Hertz解,这是由于应力集中出现在不连续的曲率线上,且接触区的接触压力呈现轴对称抛物线状分布.该模型可用于预测微转子轴衬的磨损与接触状况,分析微转子系统的磨损特性.     

润滑状态下球-盘点接触摩擦副的低速轻载滑滚特性研究

选用镀Cr膜的玻璃盘和GCr15球作为摩擦副,在NGY-6纳米润滑膜测量仪上开展球-盘点接触摩擦副在润滑状态下的低速轻载滑滚特性试验,研究不同接触应力、钢球转速、滑滚比等参数对摩擦副的摩擦系数及对应油膜厚度的影响规律.结果表明:当接触应力和钢球转速一定时,摩擦系数随滑滚比的增大逐渐增加后达到稳定状态,当滑滚比较大时,滑滚比的变化对油膜厚度几乎没有影响;当滑滚比一定时,摩擦系数随接触应力的增大逐渐增大,随钢球转速的增大逐渐减小,油膜厚度随接触应力的增大逐渐减小,随钢球转速的增大逐渐增大.摩擦副在弹流润滑状态下,摩擦系数的增加幅度随接触应力的变化较小,而在薄膜润滑状态下,其增加幅度变大.摩擦副在薄膜润滑状态下,当滑滚比在0.10~0.50变化时,摩擦系数和油膜厚度基本处于稳定状态.     

基于连续模型和离散模型的微尺度三维凸台轴承的气体润滑分析

为了考察应用图案化盘片实现超高密度磁存储时磁头/磁盘界面气体润滑设计理论的有效性,本文设计了1种三维凸台轴承构型,分别使用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）和气体分子薄膜润滑理论（MGL）方法进行了模拟计算,考察了相对滑动速度、轴承最小间隙、凸台高度和入射速度方向对气体轴承压力分布的影响.结果表明：对于三维凸台微尺度气体轴承,MGL方法的计算结果依然与DSMC方法的结果相差不大.存在凸台接触,轴承间隙为零的情况下,气体轴承仍然具有一定的承载能力,且压力分布形状随凸台高度的变化表现出与常规非接触式气体轴承不同的规律.     

Rolling friction as a viscoelastic dissipative process

The viscous additions to the stress tensor on the half–space surface over which a ball moves are calculated with the use of a viscosity (dissipative) tensor. The rolling friction force which corresponds to the Coulomb law and which is proportional to the velocity and which is simultaneously the lower estimate for the sliding friction force is found. Expressions for the radial and vertical displacements on the surface of an elastic half–space are given.     

NUMERICAL STUDY OF THE BEHAVIOR OF A BUBBLE ATTACHED TO A TIP IN A NONUNIFORM ELECTRIC FIELD

In order to investigate the effects of a nonuniform electric field on the behavior of a bubble, a numerical study on the shape of a bubble attached to a conducting tip on a supporting wall is performed. The equilibrium bubble shape is determined by solving the free boundary problem that consists of the governing equation for electric field and the normal stress condition at the bubble surface. A numerically generated composite orthogonal coordinate system is employed to solve the free boundary problem. A bubble on a tip is found to be extended in the direction parallel to the applied electric field. The elongation increases steeply with an increase of the electric field strength and the height of the tip. It is also observed that a highly elongated bubble has a shape with slender waist. The bubble shape obtained from numerical studies are qualitatively similar to the shapes observed in experiments. If the contact radius is maintained during bubble deformation, the contact angle and the aspect ratio increase with the increase of the electric field strength and the tip height. On the other hand, if the contact angle is fixed during bubble deformation, the contact radius decreases as the electric field strength increases. In order to estimate the effect of electric field on the bubble departure volume, the surface tension force and the downward electric force exerted on a bubble are also computed for a bubble of fixed volume under the fixed contact angle condition. The sum of the two forces is found to decrease with increasing strength of nonuniform electric field. This fact suggests that the bubble departure volume decreases in a nonuniform electric field.     

纳米化纯铁在干摩擦及油润滑条件下的磨损行为研究

利用往复摩擦磨损试验机研究了深度轧制纳米化纯铁及其退火态和普通轧态纯铁在干摩擦和油润滑下的磨损行为,采用冲击划痕法和声发射划痕法研究材料的塑性变形能力,并对纳米化影响纯铁磨损行为的原因进行初步探讨.结果表明,在干摩擦条件下深度轧制纯铁的抗磨粒磨损性能较普通轧态纯铁差,抗犁削能力也较弱;在油润滑条件下,深度轧制纯铁显示出优良的耐磨性;经深度轧制后,纳米化纯铁具有较高的表面活性,但同时由于塑性的丧失只能承受较小的剪切力.