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粗糙界面法向动态接触建模与振动响应特性研究

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粗糙界面法向动态接触建模与振动响应特性研究

作者：翟璋欣武汉大学

学位级别：硕士

栓接结构在机械系统中应用广泛,主要承担着传递运动、载荷和能量的重要作用。在实际工作条件中下,栓接系统的非线性动力学特性会对整个机械系统产生一定影响。当考虑到栓接结构的结合面表面形貌参数与材料特性时,实际栓接结构的系统动... 详细信息

栓接结构在机械系统中应用广泛,主要承担着传递运动、载荷和能量的重要作用。在实际工作条件中下,栓接系统的非线性动力学特性会对整个机械系统产生一定影响。当考虑到栓接结构的结合面表面形貌参数与材料特性时,实际栓接结构的系统动力学模型将更加复杂。本文以具有微观粗糙形貌的栓接结构为研究对象,通过栓接结构法向动态接触建模、栓接结构的强迫振动动力学建模与实验验证等三个方面进行研究。首先引入结合面动态位移因素,建立栓接结构法向动态接触模型。再在此基础上,进一步建立通用的、准确的以及可靠的栓接结构振动响应模型。最后通过实验对理论结果进行定性验证,并对栓接结构的振动响应特性进行进一步分析,为栓接结构动力学性能的准确预测,实际栓接结构的装配工艺改进和优化提供参考。具体研究内容如下:(1)提出并建立了考虑动态位移的栓接结构粗糙界面法向动态接触模型,并分析了栓接结构的结合面材料特性、表面形貌参数与塑性指数对接触特性的影响。研究表明:动态接触过程中,系统接触力呈现非线性规律,存在能量耗散,且几微米的结合面位移变化会使动态接触力增大到静态力的50倍左右;增大表面粗糙度可增大加载过程中的接触力,但是会减小卸载后期接触力;增大材料弹性模量会加剧能量耗散;增大塑性指数会增大结合面接触力,且接触力最值与塑性指数成线性正比的关系。(2)以修正后的栓接结构法向动态接触力为基础,建立栓接结构振动响应模型,并研究了栓接结构中结合面表面形貌参数和塑性指数对其非线性特性的影响。研究表明:栓接系统在固定的系统参数下,始终呈现拟周期运动状态;增大激励频率,系统会越来越趋近于单周期运动状态,激励频率由1Hz增至200Hz时,系统无量纲位移振幅由2降至0.6;增大结合面塑性指数,系统的非线性特征会更明显;结合面越粗糙,系统非线性特征越明显;激励频率越小,表面形貌与塑性指数的影响越大。(3)开展了栓接结构粗糙界面法向接触振动实验,对栓接结构振动响应特性作进一步的分析,定性验证了论文理论计算结果的正确性。实验结果表明:响应规律在预紧力小于、等于和大于激励幅值三个阶段有明显区别;预紧力小于激励振幅时,系统稳定后结合面之间会达到共振状态,预紧力等于激励振幅时,下试件位移幅值会慢慢变大直至达到定值,但并不会发生共振,预紧力大于激励振幅时,系统达到稳态后下试件的位移幅值与预紧力之间满足指数函数的拟合关系;激励振幅主要影响预紧力小于激励振幅时系统达到稳态所需的时间与循环次数,以及预紧力大于激励振幅时系统响应的幅值,激励振幅越大,位移幅值越大;激励频率主要影响前两种情况下的系统响应幅值,频率越高幅值越小;弹性模量越小的材料,表面塑性指数越高,系统非线性特征越强;粗糙度越大的结合面,达到系统稳态所需的循环次数越多,且材料的弹性模量越大,表面形貌的影响越明显;这些规律可以定性验证栓接结构振动响应理论模型的准确性。

关键词：栓接结构粗糙形貌动态接触非线性特性

考虑表面粗糙度的机械密封微孔端面润滑特性研究

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考虑表面粗糙度的机械密封微孔端面润滑特性研究

作者：彭震奥湖北工业大学

学位级别：硕士

随着船舶行业的快速发展,对船舶运行可靠性要求也逐渐提高,但船舶艉轴密封一旦失效,容易发生重大事故。因此对船用艉轴密封性能的研究具有重要的理论意义与实际应用价值。本文以船用艉轴机械密封为研究对象,在考虑密封端面粗糙度且存在... 详细信息

随着船舶行业的快速发展,对船舶运行可靠性要求也逐渐提高,但船舶艉轴密封一旦失效,容易发生重大事故。因此对船用艉轴密封性能的研究具有重要的理论意义与实际应用价值。本文以船用艉轴机械密封为研究对象,在考虑密封端面粗糙度且存在微孔的情况下,建立了粗糙微孔密封端面的数值分析模型,采用有限元软件对密封结构进行了热-流-固耦合仿真,研究了不同工况下密封参数对密封性能的影响规律,搭建试验台并进行了试验验证。主要研究内容包括:（1）对于考虑表面粗糙度带微孔的机械密封端面的研究,采用W-M分形函数对二维与三维密封端面粗糙形貌计算,分析了不同参数对粗糙度的影响。根据端面结构参数建立了考虑表面粗糙度带微孔的机械密封端面膜厚描述方程,依据简化雷诺方程推导出相应的膜压控制方程,运用有限差分方法并结合MATLAB软件编制计算求解迭代程序,获得液膜压力。完成不同工况下密封参数的计算。结果表明:转速、介质压力、端面粗糙度的增大都会导致开启力、泄漏率、液膜刚度的增大,转速和端面粗糙度的增大还会导致摩擦力矩的增大,但介质压力对于摩擦力矩的影响较小。（2）首先使用Solidworks软件建立微孔端面的机械密封环模型,以不同表面粗糙度的摩擦系数计算出的端面热流密度作为耦合温度场分析的边界条件,对流体场与结构场进行耦合设置,完成热流固耦合分析后得到不同工况条件下耦合温度场、压力场云图,绘出经过微孔圆心路径的温度、压力曲线并进行对比分析。结果表明:转速与摩擦系数的增大会使液膜接触压力增大,密封端面温度升高,会使密封端面间隙增大,从而导致泄漏量增加与密封端面产生变形,影响机械密封稳定性。而介质压力增加会导致液膜接触压力增大,开启力增加,微孔密封端面温度升高。（3）按照实际工况设计并搭建了试验平台,对理论计算与仿真结果进行对比验证。试验结果表明:密封装置转速、密封介质压力升高,端面温度随之也升高,增大速率与对应参数增大速率有关;泄漏量随转速增大也快速增大,而工作介质压力变化对泄露量影响有限,仅随介质压力变化有所波动。粗糙度的增大同样会使泄漏量有所增大,使密封性能减小,但影响较小。其数据与理论计算和仿真计算的规律大致符合。

关键词：粗糙形貌微孔端面机械密封数值模拟耦合特性研究

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电解加工夹具的轴封设计与密封性能研究

电解加工夹具的轴封设计与密封性能研究

作者：朱乐安徽理工大学

学位级别：硕士

电解加工作为一种特殊的加工方法,在生产制造中有着非常重要的价值。电解加工的过程大多需要在密封的加工腔内完成,此时加工腔的密封性对工件加工的精度有着较大的影响,此过程中,作为密封的关键部位,电解加工夹具的轴封设计好坏又在较... 详细信息

电解加工作为一种特殊的加工方法,在生产制造中有着非常重要的价值。电解加工的过程大多需要在密封的加工腔内完成,此时加工腔的密封性对工件加工的精度有着较大的影响,此过程中,作为密封的关键部位,电解加工夹具的轴封设计好坏又在较大程度影响了加工腔的密封性好坏,需要为电解加工夹具选择和设计合理轴封装置并提高其密封性。基于结构优化分析理论,对所设计的轴封装置的重要受力部件法兰进行尺寸优化,优化效果明显;开展3种不同材料的填料密封圈的接触分析,仿真不同填料圈的接触应力;对不同情况的填料圈进行压缩仿真分析,直观看到填料圈在密封过程中受挤压时的过程。基于高斯随机分布理论构造了密封工作面粗糙度,并对相应物体表面粗糙度进行实际测量,对比了仿真与实测在获取粗糙表面的异同点,同时验证仿真的正确性;基于Roth泄漏模型构建密封面的漏孔模型,并通过平行平面缝隙流动模型推导计算泄漏模型的泄漏量,同时建立泄漏通道的几何模型进行模拟仿真,表明密封面的间隙高度越大,泄漏量也越大;填料圈长度越长,泄漏量越小。对轴封装置进行密封性能测试,试验验证在垫片密封处使用金属垫片能更好地避免吹出变形;在填料密封处,分别对4种粗糙度不一样的密封工作面在不受压力情况下进行泄漏测试,试验表明在试验所测泄漏量与模型预估值存在一定偏差,但是两者均在一个数量级,符合预测原则以及范围;分别测试3种不同材料的密封圈在不同压盖压力情况下的泄漏量,验证压盖压力对密封性性能的影响。

关键词：电解加工夹具轴封设计尺寸优化接触分析粗糙形貌漏孔模型

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斜齿轮修形微弹流润滑性能研究

斜齿轮修形微弹流润滑性能研究

作者：张沁薇南京航空航天大学

学位级别：硕士

齿轮传动作为机械传动中重要的传动形式之一,轮齿啮合时润滑油油膜破裂,使得齿面直接接触,形成齿面点蚀、胶合等,从而影响机械结构的整体性能。目前的齿轮设计大部分基于Hertz接触理论的经典力学设计,通过大量的实验数据对接触应力进行... 详细信息

齿轮传动作为机械传动中重要的传动形式之一,轮齿啮合时润滑油油膜破裂,使得齿面直接接触,形成齿面点蚀、胶合等,从而影响机械结构的整体性能。目前的齿轮设计大部分基于Hertz接触理论的经典力学设计,通过大量的实验数据对接触应力进行修正。但是该设计方法未能从微观层面对齿面的接触与润滑特性进行分析,难以揭示齿面失效的机理所在。为提高齿轮可靠性、寿命,需结合润滑角度考虑齿轮的摩擦学设计。基于此,首先开展斜齿轮的时变等温弹流润滑研究。将斜齿轮啮合接触模型等效处理,建立了有限长线接触弹流润滑模型,采用多重网格积分法、渐进网格加密法(PMD)对模型进行了数值求解,获得不同啮合时刻的斜齿轮等温弹流润滑特性。其次,考虑油膜热效应,建立了斜齿轮时变热弹流润滑模型,采用固体传热法求解油膜温度,就功率、转速、初始粘度、粘压系数、法向压力角及螺旋角对其润滑性能影响进行讨论分析。再者,建立基于表面粗糙形貌的接触副时变微弹流润滑模型,分析了粗糙度方向、粗糙度基本参数包括幅值、波长、纹理对其润滑性能的影响。最后,建立考虑表面修形的接触副时变微弹流润滑模型,对斜齿轮沿接触线方向进行修形,研究分别在两端修形与鼓形修形下斜齿轮润滑特性的影响,分析不同修形参数对其润滑性能的影响。

关键词：斜齿轮、有限长线接触弹流润滑粗糙形貌齿面修形渐进网格加密法

储气库管柱密封面气体流动特性及微通道模拟研究

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储气库管柱密封面气体流动特性及微通道模拟研究

作者：曹扬中国石油大学（北京）

学位级别：硕士

储气库在运行中处于高压、高温状态,且输气方向存在变化,对气密封性能有较为严苛的要求。随着我国储气库建设速度的加快,对于保障储气库稳定运行和提升管柱密封性能的研究都具有更紧迫的现实意义。目前关于管柱螺纹密封的力学研究前人... 详细信息

储气库在运行中处于高压、高温状态,且输气方向存在变化,对气密封性能有较为严苛的要求。随着我国储气库建设速度的加快,对于保障储气库稳定运行和提升管柱密封性能的研究都具有更紧迫的现实意义。目前关于管柱螺纹密封的力学研究前人建树颇多,而对于储气库特殊工况下气体流动的研究较少,微观尺度气体密封面泄漏的研究仍相对空白。本文对气井管柱内气体流动和密封面微通道的流动问题进行探究,利用计算流体力学软件Fluent对通道内气体流动进行模拟。从储气库内气体流动状态出发,结合可压缩气体特性、真实天然气物性、微观表面粗糙形貌和气体滑移边界等理论,通过宏观和微观不同尺度,分析气体的流动特性和流场变化情况,为深入研究储气库类高压工况下管柱密封泄漏问题提供了思路。本文的主要研究内容和结果如下:(1)在高压管柱内可压缩气体的流动仿真中,使用UDRGS功能调用NIST真实气体物性数据,更精确的模拟了气体流动状态,探究了流体域内的流体流态,总结了涡流变化规律。对密封面气体流动进行仿真模拟,通过UDF编程添加变流量边界条件,获得了不同规格管柱和工况条件在稳态及非稳态流动下密封面内的流体速度变化和压力响应,发现在未形成连通的泄漏流动通道情形下密封面上的流体应力影响微小。(2)运用分形理论构建了密封接触面微观粗糙形貌模型,结合气体稀薄效应理论进行边界速度滑移修正,模拟微通道中的气体流动。结果表明粗糙形貌表面会显著影响通道内的气体流速、压强、摩擦因子和近壁面流动方向,气体稀薄效应会使得气体近壁面阻力减小,二者的耦合作用对微通道气体运动影响显著。在微观尺度模拟中考虑了气体的可压缩特性,模拟结果发现其影响不可忽略,可压缩气体与不可压缩气体的通道中心最大速度相差达到15.7%。可压缩气体在通道中心的最大流速较低,但其通过稳定性较不可压缩气体更强。(3)微观通道的泄漏流动常规手法很难检测,累积起来可能使全管段密封存在系统性风险,在密封面加工中应提高加工精度并在装配中避免磨损,保障安全。本文研究了常规尺度和微观尺度上管柱密封面附近流体域内的气体运动,对于解释和探究气井管柱的密封泄漏问题有一定的理论和现实意义。

关键词：天然气流动管柱密封微通道可压缩气体粗糙形貌

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齿轮粗糙界面时变啮合刚度算法与特性分析

振动．测试与诊断 2022年第1期42卷 56-61,194页

作者：吴嘉州肖会芳杨德斌北京科技大学机械工程学院北京100083

基于粗糙界面的分形接触模型,引入曲面接触系数来表征齿轮在啮合过程中曲率和基体变形对啮合界面微凸体分布函数的影响,提出了一种考虑齿轮啮合界面粗糙形貌的齿轮时变啮合刚度修正算法,获得了表面形貌参数、材料特性参数和输入转矩对... 详细信息

基于粗糙界面的分形接触模型,引入曲面接触系数来表征齿轮在啮合过程中曲率和基体变形对啮合界面微凸体分布函数的影响,提出了一种考虑齿轮啮合界面粗糙形貌的齿轮时变啮合刚度修正算法,获得了表面形貌参数、材料特性参数和输入转矩对齿轮时变啮合刚度特性的影响规律。结果表明,齿轮时变啮合刚度随着表面粗糙度的增大而减小,随着材料强度和输入转矩递增。

关键词：齿轮时变啮合刚度分形理论粗糙形貌曲面接触系数