基于阻抗法的矩形截面均压槽气浮支承静态性能分析

针对CFD仿真方法效率低下的状况,提出利用阻抗法来提升气浮支承承载性能的计算速度. 以矩形截面均压槽气浮支承为研究对象,研究了当均压槽高度、角度、数量、半径和供气压力变化对气浮支承承载性能的影响. 结果表明:与CFD仿真方法相比,阻抗法在保证计算结果精度的前提下可提高气浮支承承载力的计算速度. 当均压槽高度、角度、数量、半径和供气压力增大时,阻抗比会增加,气浮支承的承载力和刚度峰值对应的阻抗比也会增加. 当气膜厚度增加时,阻抗比会增加,但承载力会相应地减小. 本文作者通过阻抗法推导了气浮支承承载力简化计算公式,解决了气浮支承在均压槽方向上简化计算的难点,并为阻抗法在均压槽中的研究与应用提供了理论依据.      

可变节流高度气浮支承结构设计及动态性能分析

为了使气浮支承的承载力动态可调,设计了一种可变节流高度气浮支承. 通过建立气浮支承计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,利用CFD动网格技术来模拟小孔节流器的运动,研究小孔节流器的结构参数、运动参数及气浮支承的工作参数对可变节流高度气浮支承动态性能的影响. 结果表明:通过调节小孔节流器的节流高度可以明显改变气浮支承的承载力;在只考虑单一变量的前提下,气浮支承承载力的波动量随着小孔节流器的运动幅值、运动频率、节流高度、直径和气浮支承供气压强的增加而增加,但随着气膜厚度的增大而减小;当小孔节流器直径较小时,随着小孔节流器运动频率的增加,气浮支承动刚度的增幅很小,但当小孔节流器直径增大时,随着小孔节流器运动频率的增加,气浮支承动刚度的增幅会明显变大.      

多斜孔节流气浮支承的微振动特性研究

为提升气浮支承的稳定性及其定位精度，设计了1种多斜孔节流气浮支承.建立气浮支承的CFD (Computational Fluid Dynamics)模型，基于大涡模拟方法，研究节流孔高度、节流孔倾斜角度、节流孔直径和供气压力对气浮支承瞬态流场的影响.研究结果表明：随着节流孔倾斜角度的增加，气浮支承的微振动先减小再增大，当节流孔倾斜角度为110°时气浮支承的稳定性最佳.随着节流孔高度的增加，气浮支承的微振动随之减小.当节流孔高度增加到0.4 mm后，继续增加高度对气浮支承微振动基本没有影响.气浮支承的微振动随节流孔直径的增加而减小.气浮支承的微振动会随着供气压力的增加而增大.多斜孔节流结构可改变均压腔内流场状态，提升气浮支承的稳定性，且静态特性基本保持不变.     

椭圆形织构摩擦片在核电站安全制动器中作用机理的数值研究

核电站安全制动器基于高精度、高可靠性设计，而摩擦片是安全制动器功能执行的核心零件，其摩擦性能影响核电站设备的安全性和经济性. 本文作者将椭圆织构应用于安全制动器的摩擦片中，通过数值方法研究了椭圆织构摩擦片在电磁制动器中的作用机理；建立椭圆织构摩擦片分析模型，同时利用有限元法求解摩擦片端面的压力分布情况，并研究了椭圆倾斜角、长细比、织构深度和摩擦面间隙变化对压力分布的影响规律. 结果表明:增加椭圆织构的长细比可以有效地降低摩擦面的磨损；椭圆织构倾斜角为45°时，气膜承载力最大，可以有效降低摩擦面的磨损；椭圆织构太深或太浅均会增加摩擦面的磨损，当深度为1 μm时，可以起到很好的减磨效果；椭圆织构产生较大的气膜承载力从而增大间隙，但气膜承载力随摩擦片间隙增加而减小，因而使摩擦片间隙固定在一定范围，既减少了磨损又保证了设备的稳定运行. 本文中涉及的数值研究为完善电磁制动器中的椭圆织构摩擦片设计提供解决方法，后续在产品样机中应用并通过了寿命试验验证.      

T型槽端面密封气膜热弹流润滑动态稳定性

对T型槽端面密封气膜热弹流润滑动态稳定进行了分析. 考虑端面热变形和弹性变形以及辅助密封的阻尼特性，数值分析了不同振动频率下密封气膜动态压力分布和温度分布规律，并利用小扰动方法分析了外界扰动频率对气膜刚度、阻尼和振幅的影响规律. 结果表明:高压和高速条件下，密封端面的弹性变形和热变形产生发散间隙，导致密封气膜厚度显著降低；外界扰动产生附加压力和温度分布，刚度随扰动频率的增加而迅速增加，阻尼随扰动频率的增加而迅速下降；一定扰动频率范围内，轴向振幅与扰动频率成对数线性关系增加，辅助密封阻尼使得密封气膜的振幅显著上升.      

分析弹性支承输流管道的失稳临界流速

研究了两端弹性支承输流管道静态失稳和动态失稳临界流速. 根据梁模型横向弯曲振动模态 函数，由两端弹性支承的边界条件得到了其模态函数的一般表达式. 根据特征方程具体分析 了弹性支承刚度、质量比、流体压力和管截面轴向力等主要参数对失稳临界流速的影响. 数 值计算结果表明，管道在弹性支承下的动力稳定性比较复杂，在较小的弹性支承刚度和较小 的参数范围内，管道主要表现为动态颤振失稳；在较大的弹性支承刚度和较大的参数作用下， 管道的失稳形式主要表现为静态失稳；并且失稳临界流速随流体压力和管截面轴向压力的增 加而下降，随管截面轴向拉力的增加而上升.     

椭圆形织构摩擦片在核电站安全制动器中作用机理的数值研究（英文）

核电站安全制动器基于高精度、高可靠性设计,而摩擦片是安全制动器功能执行的核心零件,其摩擦性能影响核电站设备的安全性和经济性.本文作者将椭圆织构应用于安全制动器的摩擦片中,通过数值方法研究了椭圆织构摩擦片在电磁制动器中的作用机理;建立椭圆织构摩擦片分析模型,同时利用有限元法求解摩擦片端面的压力分布情况,并研究了椭圆倾斜角、长细比、织构深度和摩擦面间隙变化对压力分布的影响规律.结果表明:增加椭圆织构的长细比可以有效地降低摩擦面的磨损;椭圆织构倾斜角为45°时,气膜承载力最大,可以有效降低摩擦面的磨损;椭圆织构太深或太浅均会增加摩擦面的磨损,当深度为1μm时,可以起到很好的减磨效果;椭圆织构产生较大的气膜承载力从而增大间隙,但气膜承载力随摩擦片间隙增加而减小,因而使摩擦片间隙固定在一定范围,既减少了磨损又保证了设备的稳定运行.本文中涉及的数值研究为完善电磁制动器中的椭圆织构摩擦片设计提供解决方法,后续在产品样机中应用并通过了寿命试验验证.     

不同拉压特性的双层厚壁圆筒极限承载力解答

采用统一强度理论并考虑材料拉伸与压缩弹性模量的差异性，建立均匀内压作用下双层厚壁圆筒的应力表达式，获得了其内压相应的弹性极限解答、塑性极限解答，并分析拉压强度比、拉压模量系数、统一强度理论参数、半径比及分层半径对弹性、塑性极限内压的影响规律．研究结果表明：弹性、塑性极限内压随拉压强度比的增加而减小，但随统一强度理论参数、半径比的增加而增大；弹性极限内压随分层半径的增加呈现先增大后减小变化，随拉压模量系数的增加而一直减小；塑性极限内压与拉压模量系数、分层半径无关．应用于实际工程时，可根据所得结果选择合理的壁厚及分层半径，再根据材料特性确定其他参数，以便更加准确地计算结构的受力状况．     

小孔节流空气静压止推轴承平面跨缝试验研究

在航空航天领域的微重力模拟中，空气静压止推轴承在完成平面跨缝试验过程中由于增加了1个时变的出口边界，支撑气膜内部的流场随出口边界位置的变化而发生变化，从而影响止推轴承的静态特性和微振动特性.为了明确跨缝过程中空气静压止推轴承宏观表现出的服役特性，本文中基于静压气体润滑理论，搭建空气轴承平面跨缝的试验台，针对中心供气和三孔均布的圆盘型小孔节流空气静压止推轴承开展试验研究，分析不同供气压力、浮起高度和跨缝位置下轴承的静态特性和微振动特性.研究表明：空气轴承平面跨缝时，相当于支撑气膜增加1个时变的出口边界，因而会出现泄气现象导致承载力减小；当供气孔正对支撑台面间的拼缝时，轴承的自激微振动幅值最小；空气静压轴承在平面跨缝过程中，在相同浮起高度下，随着供气压力增大，轴承的静承载能力和静刚度都有所提高；随着负载增大，过供气孔时的微振动幅值减小.     

新型多边形锥管的准静态压缩与耐撞性分析

在车辆的耐撞性研究中，锥形薄壁管因其具有稳定的力-位移曲线和变形过程，被认为是轴向加载下的一种理想的能量吸收器。设计了两种类型的新型多边形锥管，通过在传统的多边形锥管上引入特殊的折纸图案，诱导结构按预制的折纸图案发生变形，从而提高其在准静态轴向压缩条件下的耐撞性；并通过准静态压缩实验研究了截面边数和壁厚对其变形模式和耐撞性的影响。结果表明：截面边数的增加使结构更容易发生局部屈曲和塑性失稳；增加壁厚会使局部屈曲和塑性失稳相对减弱，但结构会产生更多的裂缝。截面边数N对耐撞性的影响主要体现在初始峰值力上，初始峰值力随N的增加而增加，平均压缩力、比吸能和压缩力效率随N变化无明显规律；壁厚t对耐撞性有较大的影响，初始峰值力、平均压缩力和比吸能都随t的增加而增加，压缩力效率随t增加无明显规律。同时，通过传统六边形锥管(CH6)与两类新型六边形锥管(N6M1和N6M2)对比发现，折纸图案的引入在降低初始峰值力、提高平均压缩力和压缩力效率方面有显著优势。     

多沟槽水润滑橡胶合金轴承润滑特性研究

建立了考虑多沟槽润滑结构和实际工况边界条件的水润滑橡胶合金轴承弹流润滑数学模型,数值计算了有无沟槽以及沟槽半径对润滑性能的影响.计算结果表明：沟槽对水润滑橡胶合金轴承润滑性能影响显著,即在沟槽处膜厚较大,压力较低,而在承载区膜厚较小,压力较高,周向方向上压力分布不连续,并且在最小膜厚处轴向方向的入口和出口附近出现了两个压力峰值;水膜压力和最小膜厚均随沟槽半径的增大而减小;承载能力随偏心率增大而增大,随沟槽半径和过渡圆弧半径的增大而减小;摩擦系数随转速增大而略有增大,随沟槽半径的增大显著增加.     

均压槽结构形状对静压干气密封性能影响分析

静压干气密封(DGS)中的均压槽起着均布压力和二次节流的作用,开展了典型形状均压槽静压DGS的性能对比和结构优选.基于静压气体润滑理论,建立了圆形、椭圆形、扇形和环形等四种典型均压槽静压型DGS的几何模型和数学模型,采用有限差分法求解获得了四种均压槽静压型DGS端面的膜压分布和稳态密封性能参数,分析了径向开槽比和周向开槽比对四种均压槽静压型DGS密封性能的影响规律;以获得较大的密封开启力和气膜刚度为目标,计算得到了均压槽径向开槽比和周向开槽比的优选值范围.结果表明:当均压槽径向开槽比0.15Wd0.45时,环形均压槽静压型DGS可获得较大的开启力和气膜刚度,其他三种均压槽静压型DGS的径向开槽比优选值范围为0.3Wd0.45;扇形和椭圆形均压槽静压型DGS具有相似的密封性能,其密封性能仅次于环形均压槽静压型DGS;当均压槽周向开槽比0.6Lθ1.0时,扇形均压槽静压型DGS可获得较大的开启力和气膜刚度.     

似叠罗汉槽干气密封的结构优选与性能研究

针对现有干气密封在高速条件下所存在的泄漏率大、气膜刚度不足等问题,在干气密封螺旋槽结构的基础上,基于叠加组合思想提出一种似叠罗汉槽端面密封结构.基于气体润滑理论,建立了似叠罗汉槽端面的几何模型和数学模型,采用有限差分法求解二维稳态雷诺方程,获得了密封端面压力分布.以气膜刚度最大作为优化目标,对比分析了不同结构型式的优选叠加组合槽干气密封与普通螺旋槽干气密封的密封性能参数,数值分析了周向槽宽比、径向槽宽比和槽深比等结构参数对似叠罗汉槽干气密封性能的影响规律,获得了似叠罗汉槽主要结构参数的优选值范围.结果表明:在高速低压条件下,相较于普通螺旋槽干气密封,似叠罗汉槽干气密封在泄漏率基本不变的同时能显著提升气膜刚度,综合密封性能显著提升,且转速越高,压力越小,这种性能优势越明显.     

仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能分析与选型

为改善单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题,提出一种仿鸟翼微列螺旋槽端面干气密封结构.基于气体润滑理论,建立仿鸟翼微列螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值分析周向开槽宽度和径向开槽宽度对轴向气膜刚度和泄漏率等密封特性参数的影响规律,给出仿鸟翼微列螺旋槽主要结构参数的优选值范围.在不同压力、线速度和膜厚条件下对比分析仿鸟翼微列螺旋槽干气密封与普通螺旋槽干气密封的开启力、轴向气膜刚度、泄漏率和刚漏比等密封特性,给出不同工况条件下两种型槽干气密封的密封性能等值线图.结果表明:在高速低压条件下,相较于单向螺旋槽干气密封,仿鸟翼微列螺旋槽干气密封的密封性和稳定性都有显著提升,其轴向气膜刚度增幅达到30%,泄漏率降幅达到10%.仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能等值线图的提出可为其工程选型及优化设计提供指导和借鉴.     

干气密封力学系统动态性能及其影响因素间的交互作用分析

在考虑转轴轴向振动的情况下，基于气体润滑和动力学相关理论，建立了微扰膜压控制方程和挠性安装静环运动方程. 研究了介质压力、螺旋角对干气密封动态特性和瞬态响应的影响；定义了膜厚扰动的突变峰和周期峰，并以突变峰或周期峰最小作为动态性能的优化目标，基于完全析因设计法，开展了高参数螺旋槽干气密封动态性能影响因素间的交互作用分析. 研究结果表明:高速条件下，膜厚振动型态受介质压力影响较大，当介质压力较小时，气膜动态阻尼较小，气膜振动初始阶段易发生波幅逐渐衰减的振荡，而当介质压力增大到一定程度时较大的气膜动态阻尼使膜厚振动迅速衰减，振荡现象消失；高速高压条件下，除挠性环质量和弹簧刚度对周期峰的影响存在显著交互作用外，其余各影响因素对突变峰和周期峰均不存在明显的交互作用，可独立开展优化而不牺牲其结果精度.      

圆锥滚子轴承润滑与动力学耦合研究

为准确分析圆锥滚子轴承润滑和动力学耦合性能,建立了基于油膜刚度与阻尼的圆锥滚子轴承动力学耦合方程,并对方程进行了验证和数值求解. 数值结果表明:与不考虑润滑相比,考虑润滑后轴承内圈轴向运动更加稳定,轴向位移变小;在不同的滚子端面球半径和挡边倾角下,润滑效应能够使内圈径向振动加速度级减小1.71到2.07 dB;同时滚子个数的增加会使轴承内圈滚道和内圈挡边的平均最小油膜厚度分别增加7.97%和4.43%.      

螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下分析了螺旋槽结构参数对气膜动态特性系数的影响规律;基于动力学相关知识,在考虑动环轴向振动和角向偏摆的情况下建立了挠性安装静环运动方程,分析了膜厚的扰动行为,同时在考虑轴向和角向气膜扰动的共同作用下,提出以端面膜厚最大扰动量峰值和扰动稳定时间作为表征密封动态追随性的参数,并以此作为目标函数对螺旋槽结构参数进行优化.结果表明:在不同的高压条件下,当槽台宽比κ取0.9~1.5,槽坝比δ取1.8~2.4,螺旋角φ取18~24°,槽深h_g取6~8μm时,螺旋槽干气密封具有较好的动态追随性;在动态特性系数中主动态刚度对密封动态追随性的影响最大.     

仿特斯拉阀结构新型槽端面干气密封的数值研究

基于特斯拉阀结构的单向导通特性,提出一种集聚点更多和高压区域面积更大的新型(特斯拉阀型)干气密封槽型结构,该结构可获得比经典对数螺旋槽型更佳的密封效果. 通过建立特斯拉阀密封槽型的几何模型和数学模型,采用Fluent软件对不同几何参数和工况参数的密封性能进行系统数值仿真,获得密封开启力、气膜刚度和泄漏量等稳态性性能参数及瞬态膜压波动幅值方差. 分析了主阀道、支阀道和阀槽半径等参数对密封性能的影响规律,对比研究对数螺旋槽与特斯拉阀槽型在不同工况条件下的性能特性. 结果表明:相较于经典对数螺旋槽,同一工况下的特斯拉阀槽型具有更佳的开启力和刚度特性,尤其在高速、高压、小膜厚和大槽深时的开启力提升效果更加显著;在干气密封气膜稳定运行区间(h=3~6 μm),特斯拉阀槽型的气膜刚度较螺旋槽提升近20%;在高转速时(N>30000 r/min),特斯拉阀槽型的稳定性更好,且具有更小的压力波动.