基于拟动力学方法的反转圆柱滚子轴承动力学特性研究

反转圆柱滚子轴承的性能直接影响着航空发动机工作的稳定性与可靠性。为了研究反转圆柱滚子轴承动力学特性,基于弹性流体动力润滑和流体动压润滑等理论,采用拟动力学分析方法,建立了反转圆柱滚子轴承动力学计算模型。利用该计算模型对滚子打滑率进行了验证计算,随着径向载荷的增加,计算值由7%减小至2%,与实验值吻合较好。同时,对反转圆柱滚子轴承动力学进行计算分析,研究了动态运转中轴承的载荷和速度分布,以及不同工作状态对轴承打滑率的影响。研究表明,倒装时反转圆柱滚子轴承承载区滚子受载比顺装更均匀,但非承载区滚子及保持架打滑率比顺装更严重。     

航空齿轮泵滑动轴承接触状态流体润滑特性

针对航空齿轮泵处于高负荷状态齿轮轴-轴瓦润滑间隙的润滑问题,将CFD仿真与齿轮轴刚性模型相结合实现了基于CFD径向运动分析的瞬时润滑计算。得到了齿轮泵瞬态场影响下的齿轮轴径向微动情况,在此基础上基于轴承三维热流体润滑计算模型和微凸体接触模型实现了对润滑油膜在高偏心接触状态的特性分析。结果表明:齿轮泵CFD仿真结果与试验结果的误差小于10%,而仿真得到的内流场的瞬变性将通过改变齿轮轴所受径向载荷的波动形状从而影响到轴承的润滑特性。通过对轴承润滑模型的数值计算发现:相比于非接触状态,轴承处于高偏心接触状态时介质的高温、低黏现象加剧。     

非晶态薄带冷却铜辊用内反馈静压轴承数值模拟

由于内反馈式静压轴承具有高回转精度、大承载能力和高油膜刚度等特性,固将其引入到非晶态薄带冷却铜辊支承结构中。为了获取冷却铜辊用内反馈静压轴承的承载能力特性,利用流体力学软件建立不同偏心距下的内反馈式静压轴承油膜模型,研究不同进油压力下随偏心距变化时轴承油膜压力场分布情况并计算出其承载能力。结果表明：在同等进油压力下,油膜承载能力随偏心距的增大而增大;在同等偏心距下,油膜承载能力随进油压力的增大而增大。最终通过与工作现场实验数据比对分析,当进油压力分别为3.0 MPa和3.5 MPa时,数值模拟载荷值与实际载荷值的相对误差分别为5.3%和5.4%,证明了数值模拟结果的可靠性。     

集成弹流润滑理论及CFD方法的轴承热特性

为能准确预测传动系统内部角接触球轴承在喷油润滑方式下的热特性,通过建立轴承热弹流润滑(EHL)模型,获得球体与滚道微观接触界面间的载荷及摩擦因数,并采用局部生热法计算生热量;应用计算流体动力学(CFD)方法建立轴承油气两相热流耦合模型,研究湍流模型及流体域边界条件的设置,分析喷油速度、喷嘴位置及含气率对轴承内部传热性能的影响。结果表明:结合热弹流润滑理论及CFD方法可预测轴承在不同工况条件、润滑参数、几何参数下的最佳喷油速度、喷嘴位置及含气率;喷油速度为5 m/s时,轴承内部最高温度较其他喷油速度降低了440%;喷嘴位置在轴承下方时,轴承内部最高温度较其他位置降低了430%;含气率为15%时,轴承内部最高温度较其他含气率降低了157%。     

基于中介轴承润滑效率的流道结构参数反向预测

为了满足航空发动机中介轴承润滑系统设计需求,即在给出特定轴承润滑效率的前提下,获得与之匹配的合理的轴承润滑流道结构参数,提出了考虑各结构参数取值约束条件的轴承润滑效率——流道结构参数反向预测分析方法。根据轴承润滑效率神经网络模型,构造反映结构参数与润滑效率拟合关系的润滑效率函数;以润滑效率函数值与给定润滑效率误差最小为优化目标,通过考虑各结构参数取值范围的优化分析,获得满足给定润滑效率(误差最小)的流道结构参数。相较于目前已有分析方法,所提出的反向预测分析方法预测精度提高了439%,平均计算时长缩短了175 min,且能同时实现多个参数的预测,为中介轴承润滑系统设计提供了一种思路。     

润滑方式对球轴承润滑性能影响的数值研究

为合理选择高速球轴承润滑方案,优化润滑系统参数,针对SKF7210角接触球轴承建立了喷油润滑与环下润滑计算模型,基于VOF数值方法,研究了两种润滑方式下轴承内油气两相流场和内外环温度场。研究结果表明:相同工况下,环下润滑轴承内油气分布较喷油润滑更为均匀;转速增加两种润滑方式润滑效果均下降,但对环下润滑影响更大,当转速超过18kr/min时(Q=3L/min,F=5kN),环下润滑轴承内油体积分数将低于喷射润滑;供油量增加可改善润滑效果,尤其对环下润滑,当转速大于10kr/min时,环下润滑轴承内油体积分数相对喷油润滑将大幅提高;载荷增加会使轴承内油体积分数减小。结论:当转速和载荷较低时,可使用结构简单的喷油润滑;当转速和载荷较高时,使用环下润滑较为有利,但需保证供油量维持在较高水平。     

密封气流流量对轴承腔外壁滑油运动的影响

为了研究密封气流质量流量对轴承腔外壁面上滑油分布及温度分布的影响,基于拉格朗日离散相模型（DPM）和液膜模型,利用STAR CCM+商业软件对轴承腔内油滴运动、油滴向油膜的转化以及油膜在轴承腔内的运动开展非稳态数值模拟计算,并与德国Karlsruhe大学轴承腔油膜厚度试验结果进行对比。结果表明：计算值与试验值在高转速下一致性较好,平均相对误差13.6%;低转速下由于空气分布均匀性较差,个别工况点计算值与试验值存在一定误差,但最小相对误差在4%,总体上具有较好一致性;随着轴承腔密封气流的质量流量的增加,轴承腔内空气的平均流动速度提高,对轴承腔外壁面上油膜的剪切作用和扰动能力增强,导致轴承腔的外壁面油膜厚度和稳定性降低;轴承腔外壁面上的温度分布与油膜的厚度分布一致,最小温度分布在壁面上被油滴冲击位置;随着轴承腔密封气流的质量流量的增加,轴承腔外壁面上低温分布范围增大,但温度分布均匀性变差。     

滚珠自转对高速球轴承环下润滑内部流动的影响

高速球轴承正常工作时,处于高速旋转状态,此时油相和气相因重力和离心力的作用在轴承环间剧烈运动。为了更准确地分析轴承环间的两相流动,采取VOF模型进行内部流场的模拟,采用多重旋转坐标系描述部件运动。建立球轴承环下润滑计算模型,分析了考虑滚珠自转因素下轴承内部的流动,并在此基础上探究了转速及供油量对轴承工作状态的影响。结果表明,对比整体模型与滚珠自转模型,发现滚珠自转使得轴承内部油体积分数增大,同时也使得滑油穿透间隙达到外环的能力增加;在考虑滚珠自转情况下,转速的不断增大,使得轴承内部的油相体积分数不断减小,在低转速情况下滚珠自转对流体运动影响较为明显,在高转速情况下公转速度对流体运动起到主导作用,滚珠自转对流体运动影响减弱;供油量不断的增大,使得滚珠自转模型内部的油相体积分数也在不断增大,而且滚珠自转运动会加强滑油在轴承内部的分布。     

极端工况静压推力轴承承载性能动压补偿

为了研究极端工况条件下静压推力轴承承载性能损失及动压补偿,提出一种新型油垫可倾式静压推力轴承结构,利用动压补偿静压承载力的不足,实现高速重载工况条件下静压推力轴承高精度稳定运行。依据润滑理论和摩擦学原理,采用动静压混合润滑方法,分析缝隙节流双矩形腔静压推力轴承由于剪切和挤压耦合作用承载性能损失值及影响权重。通过优化可倾式油垫底部结构参数及连接方式,控制油垫变形并产生相当量动压,以适应旋转工作台的变形,补偿静压承载力不足,并进行实验验证。结果表明:可倾式油垫底部支承长度为油垫长度,宽度为35mm,高度为1.5mm,与底座采用双销0.25mm间隙连接时动压效应较为明显,并且动压增量能够很好地补偿静压损失量,实验值与模拟值误差为5.2%,达到了增加极端工况静压推力轴承运行精度和稳定性的效果。     

热泵压缩机氟利昂气体止推轴承静态特性研究

针对空间微重力条件下热泵压缩机润滑问题,提出了以氟利昂为润滑工质的气浮轴承,采用数值模拟的方法研究了R134a、R23、R22等不同氟利昂工质的止推气浮轴承的静承载力、静刚度、质量流量等特性。结果表明,使用相对分子质量大的润滑气体会减小轴承的承载力,但在气膜厚度较小时能获得较大的静刚度;在几何参数相同的条件下,气浮轴承的质量流量随着润滑气体相对分子质量的增大而增大。     

Variable load failure mechanism for high-speed load sensing electro-hydrostatic actuator pump of aircraft

This paper presents a novel transient lubrication model for the analysis of the variable load failure mechanism of high-speed pump used in Load Sensing Electro-Hydrostatic Actuator (LS-EHA). Focusing on the slipper/swashplate pair partial abrasion, which is considered as the dominant failure mode in the high-speed condition, slipper dynamic models are established. A forth sliding motion of the slipper on the swashplate surface is presented under the fact that the slipper center of mass will rotate around the center of piston ball when the swashplate angle is dynamically adjusted. Besides, extra inertial tilting moments will be produced for the slipper based on the theorem on translation of force, which will increase rapidly when LS-EHA pump operates under high-speed condition. Then, a dynamic lubricating model coupling with fluid film thickness field, temperature field and pressure field is proposed. The deformation effects caused by thermal deflection and hydrostatic pressure are considered. A numerical simulation model is established to validate the effectiveness and accuracy of the proposed model. Finally, based on the load spectrum of aircraft flight profile, the variable load conditions and the oil film characteristics are analyzed, and series of variable load rules of oil film thickness with variable speed/variable pressure/variable displacement are concluded.     

舰载机壁板剪切后屈曲承载能力预测与试验验证

舰载机着舰撞击对机翼盒段产生巨大的扭矩,蒙皮以剪切形式承受扭矩,这是机翼壁板的重要设计工况。为准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力,采用MSC.NASTRAN软件MRIKS弧长法,将线性屈曲分析的一致模态缺陷位移作为扰动引入后屈曲分析。考虑材料和几何双重非线性,对整体加筋壁板剪切试验件的后屈曲破坏过程进行模拟、对承载能力进行预测。根据剪切试验结果,进行对比分析。结果表明：有限元模拟的加筋板初始屈曲发生在蒙皮上,长桁足够大的相对刚度使得长桁与蒙皮连接线上出现屈曲节点,随着载荷增大,加筋壁板整体"坍塌",与试验现象一致。有限元分析（FEA）得到的初始屈曲载荷与试验结果的误差为1.25%,预测的极限承载载荷与试验破坏载荷的误差为2.4%。表明引入缺陷后的MSC.NASTRAN弧长法非线性后屈曲计算能够准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力,为加筋壁板剪切试验和强度设计提供了分析方法。     

一种铁磁流体密封系统的理论研究

利用磁路方法和简化的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，导出了锥形空间内磁场强度分布和旋转时铁磁流体稳定界面的计算方程。分析了密封间隙、密封角和转速对密封能力的影响。     

Ferrofluid moving thin films for active flow control

Ferrofluid moving thin films and their possible significance with regard to active flow control for lift and attack angle enhancement are discussed. In this strategy, a very thin film of ferrofluid is strongly attached at the wall of the wing by a normal magnetic field from below and pumped tangentially along the wing. Utilizing a simplified physical model and from the available experimental data on moving walls, the expected lift enhancement and effect on the attack angle were assessed. Additional research and design is required in order to explore the possibilities in the use of ferrofluid moving thin films.     

Nonlinear hydromagnetic stability analysis of a pseudoplastic film flow

The long-wave perturbation method is employed to investigate the nonlinear hydromagnetic stability of a thin electrically-conductive pseudoplastic liquid film flowing down the surface of a vertical wall in a magnetic field. The validity of the numerical results is improved through the introduction of the flow index and the magnetic force into the governing equation. In contrast to most previous studies presented in the literature, the solution scheme employed in this study is based on a numerical approximation approach rather than an analytical method. The solution procedure commences by employing the normal mode approach to analyze the linear stability of the film flow. The multiple-scales method is then applied to obtain the weak nonlinear dynamics of the thin-film system for stability analysis. The modeling results reveal that the pseudoplastic film flow system may exhibit both subcritical instability and supercritical stability states. The flow stability can be enhanced by increasing the intensity of the magnetic field and the flow index, respectively. In general, the optimum conditions can be found through the use of a system to alter stability of the film flow by controlling the applied magnetic field.     

高超声速等截面磁流体发电机性能研究

采用三维低磁雷诺数磁流体动力学五方程模型,对等截面管道法拉第型分段电极磁流体发电机内的流动进行数值模拟,研究了负载系数、磁场强度、电极-绝缘壁宽度比对发电通道性能的影响.结果表明:当负载系数为0.50时电功率密度达到最大,并且随着负载系数的增大发生器的减速能力降低;当磁场强度为8T时,500mm的管道长度即可将来流马赫数从6降低到3以下,温度保持在800K以下,并且每立方米的管道发电量能够达到兆瓦级的水平.      

小孔节流气体静压球轴承动静压混合润滑承载性能分析

针对一种小孔节流多孔供气闭式结构的高速静压球轴承,采用有限元方法,分析了动静压混合润滑承载性能,得到气膜上的压力分布规律。在此基础上,求解并分析了转子旋转速度以及轴承设计气膜间隙、供气压力等对径向和轴向承载能力、刚度、润滑姿态角的影响规律,并比较了动静压混合润滑和纯静压润滑的不同。     

蜂窝夹层结构及其埋件的力学性能研究

对蜂窝夹层结构及其侧向和板内M5埋件力学性能进行了研究,分析了蒙皮厚度、胶黏剂面密度和胶接强度对力学性能的影响。结果表明,适当增加蒙皮厚度,有利于提高蜂窝夹层结构及其埋件的力学性能;在同等胶接强度下,胶黏剂面密度对力学性能的影响可以忽略,可选用面密度较低的胶黏剂来降低结构质量;埋件系统承受面内剪切载荷的能力明显优于其承受垂直于蒙皮的面外拉拔载荷能力;承受面内剪切载荷时,埋件系统的失效模式以埋件区域蒙皮局部破坏为主;承受面外拉拔载荷时,埋件周围蜂窝芯先失稳破坏,并最终导致埋件带动蒙皮变形、局部发生破坏。所得结果可为结构设计优化提供参考。     

考虑稀薄气体效应的止推箔片轴承静特性分析

以波箔型气体止推箔片轴承为研究对象,基于1阶滑移速度边界条件,建立了考虑稀薄气体系数的修正雷诺方程.结合Newton-Raphson迭代法和有限差分法,耦合求解Reynolds方程和润滑膜厚度方程,仿真获得了止推箔片轴承的轴向承载力、起飞转速等静态性能,并研究了稀薄气体效应和轴承结构参数对止推箔片轴承静态特性的影响.结果表明:稀薄气体效应将使止推箔片轴承的轴向承载力减小,起飞转速增大,且稀薄气体效应的影响随轴承工作转速、箔片变形柔度系数的提高有所减弱;止推箔片轴承的安装间隙小于10μm时,起飞转速随安装间隙的减小急剧增大,因而在止推箔片轴承装配时须严格控制轴向间隙.      

平箔片楔形高度对气体止推箔片轴承特性影响

针对波箔型气体止推箔片轴承,建立了箔片结构二维薄板模型,并通过有限差分法和有限元法耦合求解可压缩气体Reynolds方程和气膜厚度方程,获得了给定轴承载荷条件下轴承气膜压力分布、气膜厚度分布、平箔片变形量和功率损耗等轴承特性.通过对比楔形高度分别为25,70,100,200,300μm时的轴承特性仿真结果研究了楔形高度对轴承性能的影响.结果表明:降低楔形高度使轴承气膜压力分布更均匀,并降低了平箔片的局部集中载荷.但楔形高度存在一个最佳值,使得达到相同轴承载荷所需的最小气膜厚度最大,并且轴承具有最小功率损耗,提高了轴承的工作效率.该结果为气体止推箔片轴承的结构设计提供的理论参考.