干气密封系统角向摆动非线性稳定性分析

基于非线性振动理论建立了气膜-密封环系统角向摆动的动力学模型,将气膜厚度表示为含有摆角的变量,在介质压力 p0=4.5852MPa、转速 nr=10380 r/min 的特例下计算并拟合非线性气膜的角向刚度,得到了一个含二次、三次项的非线性受迫振动微分方程。在无外激励情况下,通过求解 Floquet 指数讨论了系统分岔问题,分析了螺旋角对系统稳定性的影响,给出了使干气密封系统稳定的螺旋角的范围(α<75°10′34″),并求得在特例下螺旋角α=75°10′34″时系统发生 Hopf分岔。这与已有文献中利用 Runge-Kutta 法研究的结果是一致的,从而验证了本文方法的正确性。改变工况后,对系统分岔问题进行了讨论,得到了系统分岔时的螺旋角数值,结果表明其螺旋角数值基本不变(α为75°9′54″或75°11′1″),说明改变工况后其分岔点位置不变。本文结果可为干气密封的动态优化设计提供理论指导。     

热耗散下螺旋槽干气密封气膜刚度的计算与分析

通过二阶非线性滑移边界条件下的雷诺方程并用PH线性化方法和迭代法求得螺旋槽内的气膜推力和气膜压力,并推导了其气膜厚度,得到二阶非线性滑移边界条件下气膜刚度的近似解析式,推导出考虑热耗散下的气膜能量微分方程;利用气膜的压力、能量方程、二阶非线性滑移边界条件下气膜刚度的近似解析式,通过Matlab软件求得螺旋槽内气膜刚度在不同压力、转速、槽深、螺旋角下的分布。结果表明:随着压力、转速、槽深的增大,气膜刚度随之增大,并在槽根部附近达到最大值,且气膜刚度的变化呈非线性;在槽深为6μm、介质压力为0.4MPa、转速为8700r·min-1、环境压力为101.3k Pa的工况下,螺旋角为75°左右时,气膜刚度最大。通过本文设计的在不同介质压力下的试验表明,通过能量微分方程计算所得的考虑热耗散下的气膜刚度数值比不考虑热耗散的气膜刚度数值更接近试验值。本文结果对优化干气密封结构参数、提升干气密封性能十分重要。     

旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.      

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.     

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.      

中心刚体-柔性梁系统的耦合变形影响

本文对作大范围运动的中心刚体-柔性梁系统的耦合变形的影响进行研究.给出一种新的描述柔性梁耦合变形的有限元插值方法,该方法采用笛卡尔变形坐标对横向变形和纵向变形之间的耦合项进行描述,该耦合变形项只与本单元的节点变形坐标相关.分别讨论了耦合变形项对惯性力与弹性力的贡献,分析了它们对刚-柔耦合动力学行为的影响.通过研究指出当采用笛卡尔变形坐标描述时,如果在计算弹性力的时候考虑了耦合变形影响,无论在计算惯性力时是否考虑耦合变形影响,都可以得到稳定收敛的结果.反之,如果在计算弹性力时忽略了耦合变形影响,无论在计算惯性力时是否考虑耦合变形影响,当大范围运动的速度较高时,将会得到错误的发散的结果.因此,通过忽略耦合变形对质量分布的影响,只保留耦合变形对弹性力的影响,可实现对动力学方程的简化.     

做大范围运动复合材料板的动力学建模研究

基于经典层合板理论建立了大范围运动复合材料板的动力学方程,考虑了传统建模方法忽略的二次耦合变形量。采用有限元法对复合材料板进行离散,利用Lagrange方法推导了大范围运动复合材料板的动力学方程。通过编制matlab程序计算了带中心刚体的旋转复合材料板的变形,将得到的结果分别与不计耦合变形量的传统方法的计算结果进行比较,随着转速的提高,本文方法收敛,而传统方法趋于发散。研究了铺层角度对作大范围运动复合材料板变形影响以及复合材料板和各向同性板在经历相同运动时角点最大变形的差异。     

作大运动弹性薄板中的几何非线性 与耦合变形1)

导出作大范围刚体运动弹性薄板包括了几何非线性和中面变形之间的相互耦合(耦合变形)的动力学控制方程.分析了几何非线性和耦合变形各自对系统动力学性质的影响,得到了在传统方法上只考虑几何非线性,系统将通过同宿轨分岔过渡到混沌运动;若在传统方法上考虑耦合变形,系统稳定且数值解收敛,与实际情形相符.     

作大运动弹性薄板中的几何非线性与耦合变形

导出作大范围刚体运动弹性薄板包括了几何非线性和中面变形之间的相互耦合（耦合变形）的动力学控制方程．分析了几何非线性和耦合变形各自对系统动力学性质的影响,得到了在传统方法上只考虑几何非线性,系统将通过同宿轨分岔过渡到混沌运动;若在传统方法上考虑耦合变形,系统稳定且数值解收敛,与实际情形相符．     

耦合变形对大范围运动柔性梁动力学建模的影响

柔性梁在作大范围空间运动时,产生弯曲和扭转变形,这些变形的相互耦合形成了梁在纵向以及横向位移的二次耦合变量。本文考虑了变形产生的几何非线性效应对运动柔性梁的影响,在其三个方向的变形中均考虑了二次耦合变量,利用弹性旋转矩阵建立了准确的几何非线性变形方程,通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。仿真结果表明,在大范围运动情况下,仅在纵向变形中计及了变形二次耦合量的一次动力学模型,与考虑了完全几何非线性变形的模型具有一定的差异。     

考虑非线性变形的航天器柔性附件建模方法

针对航天器的柔性附件,将其简化为常见的大范围运动空间柔性梁结构。根据柔性体的非线性变形原理,考虑了弯曲和扭转的非线性因素的影响,在柔性梁的三个变形方向上均考虑了变形的二次耦合项。利用有限元方法进行离散并用Lagrange方程建立了非线性变形模式下的动力学方程,包含了较为完全的刚度矩阵和各种耦合项。对一大范围运动的空间梁进行了仿真计算,表明在运动速度较大并且基座具有大范围运动时,一次耦合模型与本文模型有一定差异,且初始变形对两种模型也会产生影响。     

中心刚体-柔性梁系统的最优跟踪控制

对考虑阻尼影响的中心刚体-柔性梁系统的动力特性和主动控制进行研究. 研究 中考虑了3种动力学模型：一次近似耦合模型、一次近似简化模型和线性化模型. 一次近 似模型中同时考虑了柔性梁的轴向变形和横向变形. 若在一次近似耦合模型中忽略轴向变 形的影响，则可得出一次近似简化模型. 线性化模型是对一次近似简化模型的线性化处理. 另外研究中考虑了3种阻尼因素：结构阻尼、风阻、中心刚体轴承处的阻尼. 控制设计采 用最优跟踪控制方法. 给出了从物理测量中提取模态坐标的滤波器方法. 研究结果显 示，一次近似简化模型能够有效地对系统的动力学行为进行描述；阻尼对系统的动力学特 性有着重要影响；当系统大范围运动为低速时，模态滤波器能够较好地提取出控制律所需 的模态坐标，最优跟踪控制方法能够使得系统跟踪所期望的运动轨迹，并且柔性梁的弹性 振动可得到抑制.     

柔性梁刚柔耦合碰撞动力学及变形传播研究

运用柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,研究了作大范围回转运动柔性梁的碰撞动力学问题.考虑柔性梁的横向变形,以及横向变形引起的纵向缩短项即非线性耦合变形项.采用基于Hertz接触理论及非线性阻尼理论的非线性弹簧阻尼模型来求解碰撞过程中产生的碰撞力,运用第二类拉格朗日方程建立了系统的刚柔耦合碰撞动力学方程.编制仿真软件进行动力学仿真计算,得到了碰撞力和系统动力学响应,对比分析了不同动力学模型对系统动力学响应的影响.同时研究了碰撞导致的柔性梁横向变形传播的波动特性.     

非接触式气体润滑密封变形的数值分析

针对离心泵用非接触式螺旋槽气体润滑密封，通过采用有限元法求解描述密封端面间气体流动的雷诺方程，计算了不同约束、不同结构的静密封环和配对动密封环的力变形、端面泄漏量、开启力及气膜刚度等参数，分析了变形对密封特性的影响．结果表明：密封环的力变形使得端面气膜形状大多呈发散型，约束对其变形大小具有重要影响，选择合适的约束可以减小密封面转角、提高气膜刚度、增强密封工作稳定性；变形对密封的开启力影响不大，但变形导致泄漏量增大，并明显改变气膜刚度。     

柱面螺旋槽干气密封微尺度流动场稳态近似计算

针对高速、大振动等极端操作工况,提出一种新型柱面螺旋槽干气密封。基于此种干气密封结构特点,建立了考虑滑移边界条件下的微尺度效应稳态柱面雷诺方程,运用PH线性化方法、迭代法对雷诺方程进行近似求解,获得了气体压力的近似解析解,并运用MATLAB软件计算了特定工况下的气膜压力分布。分析了螺旋槽槽数、槽深、偏心率、密封宽度对气膜压力的影响。结果表明:柱面气膜压力先升高后降低,呈现类似抛物线的分布趋势,且在槽区-非槽区交界处出现压力波动;随着槽数和槽深的增加,气膜压力升高且峰值变化较大;随着偏心率的增大,气膜压力相应增大但峰值变化较小;密封宽度对气膜压力影响较小。     

考虑剪切变形的矩形截面薄壁杆件畸变分析

在以往不考虑剪切变形的畸变分析理论基础上，假设翘曲位移及切向位移的分布函数，考虑剪切变形的影响，利用最小势能原理建立单位均布畸变荷载作用下的畸变角微分方程。采用一般解法对该畸变角微分方程进行求解，并推导求解的初参数法。随之，通过实例验证了本文理论的正确性，结果表明考虑剪切变形的影响大大提高了考虑畸变效应的计算精度。     

中心刚体-变截面梁系统的动力学特性研究

对在平面内做大范围转动的中心刚体-变截面梁系统的动力学进行了研究.考虑柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形, 且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向缩短项, 即非线性耦合变形项. 采用假设模态法描述变形, 运用第二类Lagrange方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 在此基础上对做大范围旋转运动的中心刚体-楔形梁以及中心刚体-梯形梁模型的动力学进行了详细研究. 研究表明: 梁宽比、梁高比以及梯形梁变截面位置都对系统的动力学特性有很大影响.      

考虑热弹性变形的角接触球轴承微观热弹流分析

运用点接触热弹性流体动压润滑理论,考虑了润滑油膜温升变化引起的角接触球轴承中滚珠和内圈接触表面的热弹性变形和表面随机粗糙度的影响,提出了一种计入热弹性变形和随机粗糙度影响的角接触球轴承热弹性流体动压润滑分析方法.该方法通过将热弹性变形进行热力转换,得到了滚珠和内圈接触表面的材料线热膨胀系数,计算修正了滚珠和内圈表面因油膜温度场变化引起的热弹性变形,求得了计入热弹性变形和表面粗糙度后的油膜压力、油膜厚度、油膜温升以及热弹性变形等主要润滑特性,研究了内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和油膜压力的影响规律,结果表明:最大热弹性变形量与最小油膜厚度处在同一量级,并且内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和压力会产生明显的影响.进一步对比分析了几种算法下的最小膜厚,验证了计入热弹性变形的数值算法的可行性.     

激光多孔端面气体非接触机械密封稳定性分析

基于气体润滑理论,采用与螺旋槽端面密封的对比分析方法,研究了均匀分布激光加工多孔端面气体非接触机械密封的稳定性,数值分析了密封间隙、不对中角度和外界扰动对开启力、泄漏量、气膜刚度以及密封间隙扰动振幅等密封参数的影响规律.结果表明:多孔密封中的动压效应微弱,开启力与气膜刚度与转速无关,密封端面开启时容易发生接触磨损;多孔密封端面压力分布均匀,不对中引起的开启力波动幅度小,但是角向容易产生自激振动,密封环外侧容易发生接触磨损;多孔密封轴向气膜刚度较小,具有更小的扰动振幅,密封端面开启后有利于保持密封间隙的稳定,减少密封端面的接触摩擦.     

热变形求解及其对高速点接触弹流润滑影响研究

提出了一种固体表面热变形求解新方法(ITD),由此研究了热变形对高速点接触弹流润滑行为的影响. 为此,基于计入流体惯性项的Reynolds方程获得了油膜压力,采用追赶法对润滑剂和接触固体的温度进行了求解,进而研究了不同工况下有无热变形的高速点接触非牛顿热弹流润滑性能. 采用有限元法和离散累加法对ITD法进行了验证,通过中心膜厚试验验证了考虑热变形的正确性. 结果表明:ITD法可准确快速地计算表面热变形;考虑热变形后,油膜厚度降低且向油膜出口倾斜,考虑热变形后的中心膜厚更接近试验结果.