时变啮合刚度算法修正与齿根裂纹动力学建模

当齿轮产生裂纹时,其啮合刚度变化引起的振动响应特征是实现裂纹故障诊断的重要依据。提出一种考虑齿根圆与基圆不重合时的啮合刚度修正方法,建立齿根裂纹动力学模型并进行其振动响应精确求解。分析齿根圆与齿基圆不重合时啮合刚度求解误差,建立考虑齿根圆修正的齿轮裂纹变截面悬臂梁模型,显著提高了采用势能法求解齿轮时变啮合刚度的求解精度;建立含齿根裂纹故障的齿轮传动系统多自由度动力学模型,利用Runge-Kutta法求解齿轮产生裂纹故障时的动力学响应,仿真结果表明当齿根出现裂纹时,其振动响应中会出现明显的冲击响应特征;测试含2 mm齿根裂纹故障试验台的振动信号,利用二代小波包分解进行信号处理,试验结果与数值分析结果相符,为齿轮传动裂纹故障诊断提供了理论基础。

直齿圆柱齿轮齿根裂纹扩展仿真及齿轮时变啮合刚度分析

首先利用ANSYS有限元软件建立了含齿根初始裂纹的齿轮二维有限元模型,计算了齿根裂纹前缘应力强度因子。其次基于线弹性断裂力学理论及最大周向正应力理论,计算了裂纹失稳后的扩展角。再次利用ANSYS软件对初始裂纹进行扩展分析,逐步模拟了裂纹的扩展趋势,得到了齿根裂纹的扩展路径。结果表明,对于厚轮缘实心式直齿圆柱齿轮而言,齿根初始裂纹以较小的扩展角度从轮齿的一侧齿根逐步向轮齿的另一侧齿根连续平滑地扩展。最后根据齿根裂纹的扩展路径,利用势能法求解了齿轮时变啮合刚度,分析了不同裂纹程度对于齿轮时变啮合刚度的影响。齿根裂纹会引起时变啮合刚度的局部减小,并且随着裂纹尺寸的逐步增大,啮合刚度的局部减小现象会愈加明显。该文为含有齿根裂纹故障的圆柱齿轮传动系统的动力学建模、故障机理分析及疲劳寿命分析奠定了理论基础。

间接挤压铸造薄壁件充型速度的研究

分析了薄壁铸件在充型过程中存在的两种充型形态,并应用射流理论,讨论了充型过程中影响充型形态的因素,进而指出最佳充型速度应是逐渐加速的;其次从流体力学的角度,对金属液充型过程进行分析,从理论上确定了最佳充型速度应满足的条件;最后,应用导出的方程对具体实例进行计算分析,得出某薄壁平板铸件的最佳充型速度。

注塑流动与传热分析的四边形单元控制体积法

阐述了注塑分析的基于Hele-Shaw假设四边形单元控制体积法。由于四边形控制体积法会产生不对称矩阵的方程组,求解压力时把方程不对称的部分移到方程右边,这样方程转化为对称的线性方程组。在求解转化后的线性方程组时,只在压力求解区域改变时更新方程的右边。注塑分析的时间步长进行自动调整,并大致保证流动前锋在两个时间步内向前流动大略一单元层。与现有文献的计算结果比较表明四边形单元控制体积法可以有效地模拟中面模型的注射过程,该方法并可以与三角形单元混合使用,且可应用于基于表面的注塑分析方法。

铝合金双重挤压铸造补缩位置和补缩力的确定

以某铝合金汽车轮毂为研究对象,运用铸造有限元分析软件,对其进行了挤压铸造数值模拟。研究了填充和凝固过程中温度场的分布,预测了在此过程出现的缩孔、缩松缺陷位置。模拟结果显示,轮毂中心部位容易产生缩孔、缩松,因此将双重挤压铸造补缩位置设置在轮毂中心部位。计算补缩力时采用屈服准则分析并得出补缩力的经验公式,然后对轮毂进行双重挤压模拟,最终确定补缩力的大小。

RTM充模分析控制体积法的求解方法

RTM充模分析在控制体积法对于某些单元会产生不对称的矩阵,为了充分利用现有的对称矩阵高效求解方法,本文提出了一种处理方法。由于方程矩阵的不对称性是比较弱且充模过程是一个渐变的过程,因此把不对称部分移到方程右边,在求解过程中只有在充满节点发生变化时更新方程的右边。采用预处理共轭梯度求解法计算了两个实例,结果表明这样计算效果非常有效,尤其适于求解三维网格模型的充模分析。

配水器扇形水嘴及其通信模块设计与仿真

分层注水是一种有效提高原油采收率并维持油田长期稳产的注水技术。在油田开采过程中,地层压力随开采程度的增加而降低,为保持油田的长期稳产,可向油田进行分层注水,测控一体化井下配水器是实现分层注水的关键组成部分,但其中测调精度不稳定。为此,在水嘴结构方面创新设计了一种适用于产生压力和流量脉冲波的扇形水嘴。由此产生的流量波和压力波信号具有形状规则、波形精度高的优点,从而提高了信号传输的成功率和有效性。为实现对井下压力和流量信号的实时监测,该配水器集成了压力波监测模块、内外压监测模块以及流量计模块,为不同油层的注水量智能调节提供了可靠的数据支持。对所设计的配水嘴和地面控制器进行内部流体仿真,相同条件下,45°和90°配水嘴转角时流场的最大压差为3 320 Pa,结果表明配水嘴开度越大,流场压差越小,符合节流压降规律,相同条件下,0°、45°和90°地面控制器转角时流场的最大压差为48 690 Pa,井口阀开度不同其内部流场状态有变化,井口阀开度越大,流场压差越小,经过实验验证,该设计可以相对于其他装置有效提高注水精度,可被应用于大型油田。

RTTS封隔器外中心管疲劳寿命分析

RTTS封隔器是封隔高温高压井油套环空压力的关键工具,其外中心管的失效会导致油套环空窜通,引发严重事故。为完善外中心管的失效评估体系,基于静强度、疲劳强度理论,采用有限元仿真方法溯源外中心管失效原因;建立外中心管全尺寸三维模型,简化出有限元模型,拟合外中心管材料42CrMo的材料本构模型和S-N寿命曲线;考虑坐封、射孔2种典型工况极限载荷作用下外中心管的静强度分析,将分析结果传递到NCode疲劳仿真平台,依据疲劳强度理论,进行不同平均应力载荷、不同循环特性载荷作用下的外中心管疲劳强度分析。研究结果表明:在150 kN轴向坐封载荷作用下外中心管发生高周疲劳破坏,在300 kN轴向射孔载荷作用下外中心管发生低周疲劳破坏;不同循环特性载荷对中心管寿命影响差异较大,对称循环载荷对外中心管疲劳寿命缩短最为明显。所得结论可为外中心管甚至封隔器的性能评估、优化提供技术支撑。

自适应提升多小波在螺旋伞齿轮故障诊断中的应用

螺旋伞齿轮能改变动力的传递方向,工程上得到了广泛的应用,因此对其进行故障诊断具有重要的意义;然而,重合度大和调幅调频的特性大大增加了特征提取的难度。多小波具有多重小波基函数和许多优良特性,近来被广泛运用于旋转机械的故障诊断。首先用对称提升构造出自适应的多小波,并对信号进行分解;其次,选择敏感特征频带进行重构;最后,通过希尔伯特变换解调出特征频率。以实验台中模拟的螺旋伞齿轮断齿和擦伤故障为例,验证了该方法的有效性。

聚焦于碰摩诱导的非规则形貌套管磨损分析

由于钻磨铣作业管柱刚度低且受力情况复杂,发生涡动时不可避免会碰摩套管,诱导套管产生不连续、随机的磨损,降低井筒安全性。为研究碰摩磨损对套管安全性的影响规律,基于转子动力学理论建立了钻磨铣作业钻柱有限元动力学模型,得到钻柱涡动轨迹及钻柱涡动诱发的套管碰摩特征;同时建立了碰摩磨损体积计算模型,考察转速、钻压对碰摩诱导的套管磨损的影响规律;将碰摩磨损缺陷引入套管模型,采用应力集中比值分析碰摩磨损缺陷对套管承载性能的影响规律。研究结果表明:钻磨铣作业期间钻柱对套管的碰摩主要发生在下部钻具组合处,表现为不连续性碰摩和连续性碰摩2种形式;转速、钻压与碰摩磨损程度呈正相关关系;碰摩磨损缺陷的偏磨率、开口大小及数量会对套管承载性能产生不同的影响。研究结果可为由碰摩诱导产生的套管磨损分析及井筒完整性评价提供理论依据。

翻转课堂教学模式在计算方法课程教学中的应用

文章首先分析了计算方法课程教学存在的问题,然后概述了翻转课堂,接着从课前预习、课中教学、课后设计三个方面阐述了翻转课堂教学模式在计算方法课程教学中的应用,最后说明了翻转课堂教学模式在计算方法课程教学中的应用成效。

主变套管内引线接头发热的检查与处理

为了准确地判断主变套管连接部件发热部位,制订科学有效的处理方案,减少和及时消除内部连接部分的故障,介绍了某220kV变电站主变高压侧套管内引线接头发热的红外测温情况、检查处理方案以及现场检查处理的方法过程,分析了内部接头发热的机理,提出了整改措施建议。

大牵引力连续油管牵引器设计及仿真

针对水平井作业工具输送困难的问题,同时在满足钻磨作业的基础上,设计了基于液压伸缩原理的连续管牵引器。为满足井下牵引器对大牵引力、井下适应性、通过性、越障能力的要求,创新提出了自激式液压控制回路(无电缆),来实现牵引器协调控制相关动作,采用一种楔形燕尾滑槽弹性支撑结构,以适应井径变化同时满足障碍通过性,使用SolidWorks三维画图软件、ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)运动仿真等软件建立连续油管牵引器的虚拟样机,验证其运动性能。结果表明:该牵引器在51/2″套管中能够平稳行进,牵引力最大可达到10000 N,满足设计标准。

修井钻磨涡动钻柱诱发套管磨损程度分析

钻柱在井筒中旋转时会发生涡动,与套管内壁发生碰撞和摩擦,导致套管磨损,降低井筒安全性。为此,考虑钻杆接头-套管、磨鞋-套管的接触非线性,使用ANSYS软件建立了钻柱动力学有限元模型,采用增强拉格朗日法进行接触求解,模拟钻柱在直井井筒中转动时的涡动,得到了钻柱的涡动轨迹和碰撞特性,探究了钻柱的涡动特性及钻柱涡动对套管造成的冲击和滚动磨损,在此基础上计算分析碰撞时的磨损体积,揭示了钻柱转速对套管磨损的影响规律。研究结果表明:涡动造成的钻杆接头、磨鞋与套管的接触有点-面与线-面两种形式,且以点-面接触为主;磨鞋、接头对套管造成的磨损主要为沿套管周向的不连续磨损;除去临界转速附近的结果,钻柱系统转速越高,其钻进期间涡动造成的套管磨损量越大。因此,修井钻磨时应尽量选用较低的转速以减少套管磨损,进而提升修井钻磨工作的安全性。

多轴系耦合作用下齿轮系统转子裂纹故障的振动特性研究

为了探究多轴系耦合齿轮系统中的转子裂纹故障与单轴系转子裂纹故障振动响应特性的异同点,基于Jones轴承建模理论,建立滚动轴承的拟静力学模型;利用Timoshenko梁单元建立传动轴的有限元模型;考虑时变啮合刚度、齿轮传递误差、陀螺效应等因素,利用集中参数法建立齿轮副的动力学模型。将轴承、传动轴与齿轮副模型进行集成,建立齿轮系统非线性动力学模型;利用能量释放率理论与应力强度因子为零法分析裂纹转子单元的呼吸效应,利用Newmark-β数值积分法对转子裂纹故障进行动力学仿真,研究转子裂纹故障的振动响应特征。结果表明:与单轴转子系统转子裂纹的振动响应特征不同,当齿轮系统发生转子裂纹故障时,由于齿轮啮合的引起的耦合效应及转子裂纹引起的呼吸效应,时域响应表现出明显的幅值调制现象,频域中转频及其2倍频幅值增加明显,在啮合频率处伴有明显的边频带。研究结果可为齿轮系统转子裂纹故障的监测与诊断提供理论基础。

超音速等离子喷涂过程颗粒运动特性（英文）

在对等离子喷涂多物理场特性分析的基础上,考虑拖曳力、热泳力、压力梯度力等受力,对颗粒的运动特性进行研究。利用SprayWatch-2i对飞行颗粒进行在线监测并与计算值进行对比。结果表明:距喷嘴出口90~100 mm是超音速等离子喷涂的最佳喷涂距离。超音速等离子喷涂颗粒所受气流的拖拽力要大于普通等离子喷涂。当距离喷嘴出口90 mm处时,颗粒的最低温度达到3800 K,已高于Al_2O_3的熔点,此时颗粒已完全熔化。颗粒在等离子射流中发生细化,在距离喷嘴出口100 mm处直径小于5μm的颗粒所占比例超过了50%,颗粒主要发生的是振动破碎。通过实验验证了超音速等离子喷涂数值模拟的正确性。

齿轮传动系统的参数稳定性及振动特性分析

考虑齿轮时变啮合刚度与齿侧间隙,建立齿轮副系统动力学模型。利用Floquet理论推导了参数激励作用下齿轮系统的近似解析解,得到了系统的稳定性边界曲线。采用Newmark-β数值求解法对齿轮系统进行动力学仿真,研究了时变刚度、齿侧间隙、啮合阻尼对齿轮传动系统动力学特性的影响。研究结果表明:当参数激励的频率等于派生系统自由振动周期的2/n倍时,系统可能产生参数共振,随着参数激励频率的增加不稳定区域逐渐增大;齿侧间隙的存在则导致齿轮系统产生多值解和幅值跳跃等典型的非线性动力学特征;随着外部激励幅值和阻尼比增大及内部激励幅值的减小,齿轮系统的非线性振动特征逐渐减弱。

齿根裂纹与齿面剥落故障的振动响应机理研究

齿根裂纹与齿面剥落是齿轮系统常见的局部损伤类故障。由于故障机理研究不足,目前的齿轮故障诊断方法还无法精确辨识这两种故障。基于能量法建立了用于求解齿根裂纹及齿面剥落时变啮合刚度的解析计算模型,对比分析了两种故障对时变啮合刚度影响的不同内在机理。采用集中参数法与梁单元理论建立了齿轮系统的非线性动力学模型,通过动力学仿真分析了两种故障振动响应特征的不同之处。研究结果表明:虽然齿根裂纹与齿面剥落故障都会使系统产生周期性的振动冲击响应,但是这两种故障在一个啮合周期内产生的振动冲击响应的数量及规律存在一定差异。研究结果揭示了齿根裂纹与齿面剥落故障振动响应机理的不同之处,为这两种故障的精确诊断提供了理论基础。

齿轮系统动力学模型内部激励参数的优化设置研究

时变啮合刚度与齿侧间隙是齿轮传动系统的主要内部激励源,决定了齿轮系统动力学的基本特点和性质。啮合刚度的时变性影响齿轮系统的稳定性、引起系统的参数共振,齿侧间隙则引起系统强烈的非线特性。考虑时变啮合刚度、齿侧间隙等激励源,建立了齿轮系统非线性动力学模型,从模型参数设置合理性的新角度阐述时变啮合刚度、齿侧间隙对系统动态特性的影响。结果表明:在低速工运行况下,过度简化时变啮合刚度会扼杀由单双齿交替啮合而产生的振动冲击响应;此时齿轮处于单侧啮合状态,在建模时可以不考虑齿侧间隙的影响,以达到简化模型、提高求解效率的目的。而在较高速运行状态下,齿轮处于单边冲击或双边冲击状态,齿侧间隙引起系统强烈的非线性特性,建模时必须考虑齿侧间隙。