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时变载荷作用下饱和黏土地基的流变固结特性研究

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力学学报 2024年第3期56卷 682-690页

作者：王立安余云燕孙建忠陈辉兰州交通大学铁道技术学院兰州730070 兰州交通大学土木工程学院兰州730070

基于Biot多孔介质理论,利用分数阶Kelvin模型描述土骨架流变效应,引入斜坡、三角形和梯形载荷的时空域解析函数,构建时变载荷作用下饱和黏土地基的三维轴对称固结模型.采用Hankel–Laplace联合变换和张量运算推导控制方程的变换域解析解... 详细信息

基于Biot多孔介质理论,利用分数阶Kelvin模型描述土骨架流变效应,引入斜坡、三角形和梯形载荷的时空域解析函数,构建时变载荷作用下饱和黏土地基的三维轴对称固结模型.采用Hankel–Laplace联合变换和张量运算推导控制方程的变换域解析解,利用数值反演得出时空域解.通过算例分析,对模型和计算方法的有效性进行验证,并研究了3种时变载荷作用下饱和黏土地基的流变固结行为和参数影响规律.结果表明,饱和黏土的次固结沉降更为显著.土骨架流变性对孔隙水渗透具有抑制作用,使土体在主固结阶段沉降速率减缓,次固结阶段沉降速率加快,而且长期沉降量增大.加载速率越大,孔隙压力峰值越大.卸载阶段土体发生变形恢复,土骨架弹性扩张产生负孔压,卸载速率越大,产生的负孔压越大.土骨架流变性越强,变形恢复量越小,产生的负孔压也越小.载荷类型和加载路径主要影响固结过程中位移和孔压随时间的变化形态,而土骨架流变性影响土体的长期沉降量.

关键词：时变载荷流变性饱和黏土固结 Hankel–Laplace联合变换

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引射器活门调节机构的流固热耦合特性

东北大学学报（自然科学版） 2021年第1期42卷 75-82页

作者：罗忠孙永航葛长闯许春阳东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819 东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室辽宁沈阳110819 中国航发沈阳发动机研究所辽宁沈阳110015

针对船用燃气轮机引射器活门调节机构多场耦合下的结构强度问题,建立了引射器三维流场以及活门阀片的结构模型,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,分别对流场进行了稳态与瞬态仿真分析.将瞬态仿真的结果作为有... 详细信息

针对船用燃气轮机引射器活门调节机构多场耦合下的结构强度问题,建立了引射器三维流场以及活门阀片的结构模型,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,分别对流场进行了稳态与瞬态仿真分析.将瞬态仿真的结果作为有限元模型的边界条件,进行了包含热、气动和离心载荷的顺序单向流固热耦合分析.结果表明,相较于稳态仿真,瞬态仿真结果的趋势相近但压差更大.时变载荷的稳态求解,可能导致强度的估计不足.对活门调节机构而言,热载荷对机构阀片的变形、应力起到主要作用,气动载荷所导致的弯曲应力可以抵消一部分热载荷导致的弯曲应力,而离心载荷对机构的影响较小,可以忽略.所采用的分析方法可用于引射器活门调节机构等典型运动调节机构的结构设计与优化.

关键词：运动调节机构多场耦合时变载荷计算流体动力学动力学特性

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时变载荷下履带车辆传动箱振动响应仿真

火力与指挥控制 2019年第11期44卷 93-97页

作者：张政冯广斌孙华刚郝驰宇陆军工程大学石家庄校区石家庄050003 解放军38121部队石家庄050003

为了掌握某型履带车辆传动箱箱体在运行过程中振动响应的敏感位置,在RecurDyn中建立了齿轮传动系统虚拟样机仿真模型,并利用试验值进行了验证。利用HyperMesh对传动箱箱体进行了有限元前处理,并导入ANSYS进行模态分析,得到了箱体低阶固... 详细信息

为了掌握某型履带车辆传动箱箱体在运行过程中振动响应的敏感位置,在RecurDyn中建立了齿轮传动系统虚拟样机仿真模型,并利用试验值进行了验证。利用HyperMesh对传动箱箱体进行了有限元前处理,并导入ANSYS进行模态分析,得到了箱体低阶固有频率以相应振型。将RecurDyn动力学求解得到的各轴承座处的时变载荷,输入到箱体有限元模型中,实现了RecurDyn和ANSYS的有效结合,提高了仿真的效率,得到了时变载荷下箱体振动加速度的分布情况,为该传动箱体振动测试测点的选择提供了依据。

关键词：传动箱箱体振动响应时变载荷 RecurDyn ANSYS

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风力机塔筒结构仿生设计及动态特性研究

风力机塔筒结构仿生设计及动态特性研究

作者：何正文兰州理工大学

学位级别：硕士

作为一种丰富洁净可再生能源的风电产业正在迅猛发展。塔筒是风电机组支撑的关键部件,对于具有高耸化薄壁结构的塔筒在随机变向变载荷风力作用以及强阵风的瞬时冲击下工作以外,同时其顶端还有大质量、大刚度的旋转风轮与机舱。塔筒一旦... 详细信息

作为一种丰富洁净可再生能源的风电产业正在迅猛发展。塔筒是风电机组支撑的关键部件,对于具有高耸化薄壁结构的塔筒在随机变向变载荷风力作用以及强阵风的瞬时冲击下工作以外,同时其顶端还有大质量、大刚度的旋转风轮与机舱。塔筒一旦损坏,对整台风力机的安全和寿命造成严重威胁,故塔筒承载能力及其结构稳定性面临挑战。本研究在国家自然科学基金项目“西北典型风资源环境下变刚度风电机组叶片结构性能退化机理研究(No.51965034)”资助下,以风力机塔筒为研究对象,利用有限元数值法对塔筒开展静态及动态特性研究,针对静态特性响应研究中塔筒结构表现出刚度不足的问题,考虑到塔筒和竹子具备较高相似度,将竹节分布规律应用至塔筒结构仿生设计中,得到仿生塔筒结构。采用静态特性响应研究、模态分析及屈曲稳定性研究验证仿生塔筒结构合理性。在此基础上,将正常发电、启动、紧急停机工况下时变载荷作为外部激励对原塔筒和仿生塔筒开展动态特性研究,以此表明仿生塔筒在时变载荷环境中稳定性优于原塔筒,且其结构更安全。主要研究内容如下:(1)塔筒结构静态及动态特性研究。根据塔筒结构参数建立其有限元模型,依据GB/T 18451.1-2022风力发电机组设计要求选取极端湍流工况(DLC1.3)、极端风切变工况(DLC1.5)、极端阵风工况(DLC3.2)、极端风速工况(DLC6.1)四种极端工况载荷。通过有限元平台,对塔筒进行极端工况静态特性研究,结果表明极端湍流工况、极端风切变工况、极端阵风工况下、极端风速工况下塔筒均满足刚度和强度许用规范。极端风速工况下塔筒的最大位移为755.85mm,占其总高度0.96%,接近GB 50135-2019高耸结构设计标准要求的1.0%刚度许用规范,该工况下塔筒结构刚度不足,对风电机组稳定运行造成威胁。通过塔筒模态分析知,其第一阶固有频率数值上高出风轮转速频率区间上限11.4%,其第二阶固有频率数值上低于叶片通过频率区间下限19.72%,满足设计规范,故塔筒和风电机组不发生共振。同时塔筒在四种极端工况下屈曲安全系数均小于1,其屈曲稳定性符合设计要求。(2)基于竹节分布特征的塔筒结构仿生设计研究。以自然界中竹子作为生物原型对塔筒开展结构仿生设计,应用层次分析法对塔筒和竹子在结构、载荷、约束和功能四个方面进行相似度定量研究,并计算塔筒和竹子相似度为0.716,接近于1,表明塔筒和竹子存在较高相似度,故以竹子作为塔筒结构仿生生物原型。利用等强度悬臂梁理论计算仿生塔筒法兰数量为6(包含顶部法兰),参照竹子竹节分布规律,确定仿生塔筒法兰间距,利用法兰间距裁定仿生塔筒每段锥形钢筒高度,4段式3法兰结构特征的原塔筒通过结构仿生设计可得到6段式5法兰结构特征的仿生塔筒。为验证仿生塔筒结构合理性,对仿生塔筒开展静态、动态特性研究。结果表明,极端风速工况下仿生塔筒最大应力、最大位移较原塔筒分别减少6.87%、10%,仿生塔筒结构强度和刚度优于原塔筒。同时仿生塔筒与原塔筒振型相同,其第一阶、第二阶固有频率数值上分别大于原塔筒1.90%、2.01%,且远离其共振带。此外,仿生塔筒屈曲稳定性优于原塔筒,其结构更加安全。(3)时变载荷下原塔筒及仿生塔筒动态特性研究。为得到正常发电、启动、紧急停机三种典型工况的时变载荷,采用改进Von Karman风模型,根据安全等级ⅢA风力机要求,利用塔筒载荷计算环境实现三种载荷设计工况。应用塔筒载荷计算理论,得到正常发电、启动、紧急关机工况下时变载荷力、载荷力矩。将时变载荷分别加载至原塔筒和仿生塔筒。结果表明,强度方面:原塔筒及仿生塔筒在时变载荷环境下均满足强度许用条件,且仿生塔筒的强度优于原塔筒。刚度方面:正常发电、启动工况下原塔筒及仿生塔筒均满足刚度许用条件,且仿生塔筒刚度优于原塔筒。紧急停机工况下原塔筒最大位移时变响应曲线的最高峰值为836.33mm,占其总高度1.06%,超过GB 50135-2019高耸结构设计标准要求的1.0%刚度许用规范,原塔筒在该工况存在安全隐患,紧急停机工况下仿生塔筒最大位移时变响应曲线的最高峰值为729.82mm,占其总高度的0.92%,符合刚度许用条件,表明仿生塔筒结构更稳定。

关键词：风力机塔筒结构仿生设计时变载荷动态特性响应

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变载偏斜圆柱滚子轴承打滑动力学分析

机械工程学报 2017年第9期53卷 58-65页

作者：韩勤锴李兴林闫国斌褚福磊清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084 杭州轴承试验研究中心杭州310022 中航发哈尔滨轴承有限公司哈尔滨150025

考虑径向间隙、滚子凸度等因素,采用切片方法处理偏斜滚子与滚道之间的三维线接触问题,提出径向力和弯矩联合作用下圆柱滚子轴承载荷分析方法;基于Hertz接触和弹流润滑理论,获得了滚子与内外滚道之间的时变摩擦力和摩擦力矩,进而考虑滚... 详细信息

考虑径向间隙、滚子凸度等因素,采用切片方法处理偏斜滚子与滚道之间的三维线接触问题,提出径向力和弯矩联合作用下圆柱滚子轴承载荷分析方法;基于Hertz接触和弹流润滑理论,获得了滚子与内外滚道之间的时变摩擦力和摩擦力矩,进而考虑滚子与保持架之间的非连续弹性碰撞,建立变载偏斜圆柱滚子轴承打滑非线性动力学模型。与文献结果、试验测试结果的对比,验证了所提出的动力学模型的准确性。数值仿真结果表明:增加径向力、增加弯矩、增加时变径向力幅值均会降低滚子的最大打滑速度;时变径向力会改变打滑速度的波动周期。

关键词：圆柱滚子轴承打滑时变载荷偏斜

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空调滑片式压缩机用球轴承振动特性研究

空调滑片式压缩机用球轴承振动特性研究

作者：唐志霖河南科技大学

学位级别：硕士

深沟球轴承作为空调滑片式压缩机主轴的核心支承部件,其振动性能对空调整机的振动噪音水平影响显著。空调滑片式压缩机用球轴承使役工况特殊,工作过程中受到压缩机气缸腔内方向、大小周期性变化的时变载荷激励,使得其振动特性有别于恒... 详细信息

深沟球轴承作为空调滑片式压缩机主轴的核心支承部件,其振动性能对空调整机的振动噪音水平影响显著。空调滑片式压缩机用球轴承使役工况特殊,工作过程中受到压缩机气缸腔内方向、大小周期性变化的时变载荷激励,使得其振动特性有别于恒定载荷下的轴承振动特性。然而目前对于球轴承振动特性的研究主要针对恒定载荷条件,缺乏对时变载荷激励下球轴承振动机理研究。本文在空调设备及系统运行节能国家重点实验室开放基金(ACSKL2019KT02)及国家自然科学青年科学基金(51905152)的资助下,基于滚动轴承动力学理论,结合滑片式压缩机用球轴承的实际时变载荷工况,建立了时变载荷激励的空调滑片式压缩机用球轴承非线性动力学方程组,利用Gear Stiff变步长积分算法求解了动力学方程组,就球轴承的结构参数和工况参数对球轴承振动特性以及保持架动态特性的影响规律进行了研究。本文主要研究工作与结论如下:1.研究了时变载荷激励的滑片式压缩机用球轴承工况参数、结构参数以及沟道表面谐波参数对其振动特性的影响。研究结果表明:时变载荷激励下球轴承的振动响应频率以时变载荷频率f为主,表现出强迫振动,且振动幅值远高于恒定载荷下轴承振动幅值;考虑时变载荷激励的影响,施加0.3～0.6%额定动载荷的轴向预紧力最有利于降低轴承振动;原始径向游隙对本文研究类型轴承的振动影响显著,过大的径向游隙会导致轴承振动加剧;内外沟道表面波纹度阶数为钢球数的整数倍时,轴承振动大幅增大且随波纹度幅值的增大而增大。2.对时变载荷激励的球轴承工况参数、结构参数与保持架打滑率、碰撞力以及保持架振动速度RMS值的影响关系进行了分析。结果表明:时变载荷激励的影响加大了保持架的打滑率、钢球与保持架间的碰撞力以及保持架振动;保持架的振动频率主要为保持架转动频率f以及时变载荷频率f;随着轴承原始径向游隙的增大,保持架打滑率、钢球与保持架碰撞力以及保持架振动随之增加;随着保持架兜孔间隙的增加,保持架打滑率、钢球与保持架碰撞力降低,保持架振动大小呈现先减小后增大趋势,存在最合理的保持架兜孔间隙设计范围,使得保持架振动较低。最后,通过振动测试试验与所建立的动力学模型仿真结果进行对比,验证了本模型的合理性与正确性,为空调滑片式压缩机用球轴承的减振降噪设计提供了一定的理论指导。

关键词：深沟球轴承时变载荷振动保持架动态特性

多失效模式下的工业机器人谐波减速器时变可靠性分析

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多失效模式下的工业机器人谐波减速器时变可靠性分析

作者：张乙电子科技大学

学位级别：硕士

工业机器人作为高端制造装备的重要组成部分,广泛应用于汽车装配制造、电子电器和食品加工等行业。国产工业机器人普遍存在平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure,MTBF）短、死机、精度保持性不好等问题。谐波减速器是工业机器... 详细信息

工业机器人作为高端制造装备的重要组成部分,广泛应用于汽车装配制造、电子电器和食品加工等行业。国产工业机器人普遍存在平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure,MTBF）短、死机、精度保持性不好等问题。谐波减速器是工业机器人的关键零部件之一,通过与伺服电机联接,起到减速增扭的作用,并直接承受复杂工况下的扭矩载荷,其可靠性直接影响着工业机器人的性能与安全。因此,对工业机器人谐波减速器开展可靠性研究有着十分重要的意义。目前,关于谐波减速器可靠性的研究多是针对单一失效模式的静态可靠性分析,没有考虑多失效模式相关下的系统可靠性及可靠度随时间变化的问题。因此,有必要开展工业机器人谐波减速器在多失效模式相关下的时变可靠性研究,从而科学地评估其可靠性,为优化设计指明方向。针对上述不足,本文以工业机器人常用的短筒谐波减速器为研究对象,主要开展了以下研究工作:（1）应用失效模式、影响及危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA）方法,对工业机器人谐波减速器的失效模式进行分析,通过风险优先数（Risk Priority Number,RPN）确定系统的薄弱环节和主要失效模式。并基于失效物理分析,建立主要失效模式的功能函数。（2）基于Vine Copula函数开展多失效模式相关下的静态可靠性分析方法研究,将多失效模式相关下的静态可靠性问题转化为单失效模式下的静态可靠性和失效模式之间关联性的求解问题。确定了工业机器人谐波减速器各功能函数中随机变量的分布类型和参数,采用Copula函数刻画失效模式间的相关关系。通过与蒙特卡洛仿真（Monte Carlo Simulation,MCS）结果对比,验证了该方法的有效性和考虑多失效模式相关的必要性。（3）在多失效模式相关下的静态可靠性分析方法的基础上,提出了一种用于多失效模式相关下时变可靠性的分析方法,将多失效模式相关下的时变可靠性问题转化为单失效模式下的时变可靠性和失效模式之间的时变相关关系的求解问题。考虑工业机器人谐波减速器中载荷的时变特征和材料性能的退化特征,建立了各主要失效模式的时变功能函数,采用时变Copula函数描述了失效模式间的时变相关关系。通过与MCS结果进行比较,验证了该方法的有效性。

关键词：时变可靠性退化时变载荷多失效模式 Vine Copula函数

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植保六旋翼无人机关键技术研究

植保六旋翼无人机关键技术研究

作者：宋青山天津职业技术师范大学

学位级别：硕士

随着农田作业机械化水平的进步,传统的植保技术已经不能满足快速、精准的现代化农林作业要求,研发符合新时代作业需求的植保设备势在必行,植保无人机应运而生。相比于其他无人机,植保六旋翼无人机可实现平稳飞行、安全作业,又因其结构... 详细信息

随着农田作业机械化水平的进步,传统的植保技术已经不能满足快速、精准的现代化农林作业要求,研发符合新时代作业需求的植保设备势在必行,植保无人机应运而生。相比于其他无人机,植保六旋翼无人机可实现平稳飞行、安全作业,又因其结构简单、便于维护、操控灵活以及可适应复杂多变的作业环境等特点备受人们青睐。植保六旋翼无人机可灵活负载各种设备完成农田监控、颗粒播种、墒情采集、农药喷洒、化肥施加等多种植保项目并经数传系统将所需信息实时返送回地面站供工作人员分析参考。因此,加大对植保六旋翼无人机的研究力度和应用推广具有极其深远的现实意义。本文主要以时变载荷下的植保六旋翼无人机为研究对象,完成了控制方案的整体设计并应用了一种新型控制算法,主要研究内容如下:1)在详细分析植保六旋翼无人机机械结构和飞行原理的基础上设计了控制系统的总体方案,将其分为了飞行控制和喷洒单元两大子系统;2)研究了飞行控制子系统的组成并对飞控、旋翼组件、电源模块和传感系统等关键部件进行了选型搭配,完成了飞行控制子系统的设计工作;3)对喷洒单元子系统的工作模式进行讨论,将其分为管理单元和动力单元两部分,并对两部分的关键部件进行了选型,完成了喷洒单元子系统的构建工作;4)完成了时变载荷下植保六旋翼无人机动力学模型和药箱物理模型的建立,应用了模糊自适应PID控制算法并在Matlab软件中进行了仿真实验,实验证明,相比于经典PID,模糊自适应PID控制在实变系统模型中具备更好的调节性和更强的鲁棒性;5)将自主搭建的植保六旋翼无人机带到空旷的试验田进行了植保实验,达到了在时变载荷下定高飞行、精准作业、均匀喷洒等技术要求。

关键词：植保六旋翼无人机喷洒单元时变载荷模糊自适应PID控制算法

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基于时变载荷的齿轮摩擦功率损失计算研究

工程设计学报 2010年第3期17卷 224-228页

作者：许翔杨定富索文超刘刚军事交通学院汽车工程系天津300161 总装汽车试验场江苏南京210028 装甲兵工程学院机械工程系北京100072

应用齿轮啮合原理、齿轮接触分析和摩擦学理论,提出考虑齿轮瞬态啮合过程中传动效率随齿面接触载荷时变的齿轮摩擦功率损失计算方法;建立了啮合齿面间的相对运动速度、接触压力、滑动摩擦系数及摩擦功率损失的计算模型,并编制了计算程序... 详细信息

应用齿轮啮合原理、齿轮接触分析和摩擦学理论,提出考虑齿轮瞬态啮合过程中传动效率随齿面接触载荷时变的齿轮摩擦功率损失计算方法;建立了啮合齿面间的相对运动速度、接触压力、滑动摩擦系数及摩擦功率损失的计算模型,并编制了计算程序;分析了齿轮几何参数、运行工况及润滑油温度等对齿轮摩擦功率损失的影响规律.研究结果为齿轮传动及其润滑系统的合理设计提供理论依据.

关键词：渐开线齿轮齿轮传动时变载荷功率损失