宏微观跨尺度行为下的薄壁锥套疲劳寿命研究

作     者：李璞 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄庆学

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：油膜轴承 薄壁锥套 疲劳寿命 宏微观跨尺度 运行行为 室温蠕变 多目标 设计方法 

摘      要：油膜轴承广泛应用于大型水利水电装备、航空航天工程、海洋工程、核电工程、船舶机械及重型机械等领域,薄壁锥套作为油膜轴承的核心承载部件,其寿命及运行稳定性对油膜轴承的工作性能起着至关重要的作用。至今,薄壁锥套运行行为的解析、薄壁锥套破坏报废准则的建立以及薄壁锥套结构尺寸的协同优化仍是业界难题。为此,本文的主要研究目的是揭示薄壁锥套的跨尺度运行力学机理,解决薄壁锥套的宏微观流固耦合机制,在此基础上,探究薄壁锥套的拉伸、蠕变、疲劳等力学行为,实现对薄壁锥套疲劳寿命的预测,揭示疲劳寿命与其影响因素间的作用关系,同时,进行薄壁锥套多目标动态智能协同优化设计,实现薄壁锥套在结构上的优化和尺寸上的改进,以期延长其疲劳寿命,提高其运行可靠性。本文的主要研究内容及结论如下:(1)薄壁锥套的宏微观跨尺度运行力学机理研究通过对薄壁锥套和轧辊所形成的固体域进行三维静电多极离散,采用改进后的Krylov子空间广义极小残值法(GMRES(m))对其进行了优化迭代。其中,弹性摩擦接触域进行点面接触非线性数学规划,耦合界面处采用非匹配网格数,并对微米级油膜进行弹性润滑解析和无厚度处理,同时引入了Lagrange族内插函数,建立了薄壁锥套在宏微观跨尺度下的运行力学模型。通过薄壁锥套运行力学机理试验,验证了本文计算方法在揭示薄壁锥套运行力学行为的正确性。结果表明,薄壁锥套在运行过程中的油膜力场和接触应力场呈三维动态非均匀分布,在复杂交变力场作用下,位于薄壁锥套两端密封槽处的应力奇异性是造成其发生粘结、断裂等破坏的力学原因。在设计阶段必须考虑轧制工况状态,通过设计合适的过盈量和锥套厚度来减小疲劳损伤,提高可靠性。(2)薄壁锥套的力学行为分析及疲劳寿命预测阐述了薄壁锥套力学行为研究的试验材料、试验设备及试验方法,在现有设备条件下,建立了一种进行薄壁锥套室温蠕变试验的方法,同时分析了薄壁锥套疲劳行为的单调拉伸、室温蠕变及疲劳性能,在此基础上,根据薄壁锥套的运行载荷特点,建立了薄壁锥套的非比例加载模型,对不同轧制力、过盈量和锥套外径下的疲劳寿命进行了比较和分析。结果表明,薄壁锥套蠕变呈典型的两阶段低温蠕变,其蠕变行为是单自由度位错滑移的结果,且通用Graham拟合式对于薄壁锥套室温蠕变仍具适用性。当载荷小于材料的屈服极限时,轧制力、过盈量、锥套外径的增大有助于提高薄壁锥套疲劳寿命,且疲劳寿命与过盈量、锥套外径近似呈线性关系。(3)薄壁锥套的多目标动态智能协同设计研究综合考虑多目标和多变量的动态作用关系,分析各因素对接触压力的影响程度,并结合实际情况确定出锥形套筒过盈连接设计的关键因素;通过试验设计获得各关键因素的样本数据,同时,基于泛克里金法构建考虑屈服强度、转矩、轻量化等目标的响应面近似模型;接着,通过对NSGA-II型改进算法的求解,建立了一种针对锥形面过盈连接的多目标动态智能协同设计方法。通过实例对比分析,表明本方法相较于传统设计方法具有更高的安全可靠性,相较于人工神经网络方法计算精度提高了32倍。最后,通过薄壁锥套装配试验验证了本方法计算的正确性。