氢气循环泵的转子动力学特性分析

基于ANSYS构建了用于燃料电池汽车氢气供应系统的氢气循环泵(罗茨泵)转子系统的模型,通过对转子系统的模态分析,得到了独立转子系统和双转子系统的前六阶固有振型和固有频率。在模态分析的基础上分析了转子系统的谐响应特性,获得了齿轮、叶轮边缘两个部位的谐响应特性曲线。结果表明:轴端、转子叶轮等结构振动变形量较大,在接近前三阶固有频率(960Hz左右)时转子系统振动响应幅值最大,双转子耦合系统相对于单独转子系统会出现更加复杂的振型,转子叶轮对不平衡量的响应更显著。研究将为氢气循环泵转子系统的设计制造和振动特性预估提供积极的参考作用,并为氢气循环泵动力学特性的研究奠定基础。

离子液体氢气压缩机整机系统动力学特性仿真分析

针对离子液体氢气压缩机中,液压驱动和氢气增压复杂耦合引起的整机系统动力平衡困难以及振动噪声问题,基于SimulationX设计构建了三级离子液体氢气压缩机的多系统耦合动力学分析模型,对氢气增压系统和液压驱动系统的瞬态动力学特性开展研究。通过多周期仿真,得到液压油和氢气作用下活塞启动阶段和稳定运行阶段的动力学特性;计算曲轴切向和法向合力,分析各级活塞力对曲轴不平衡性的影响;在变工况条件下运行系统,研究不同进气压力下电机的转速不均匀系数。计算结果表明:气阀开度的频繁变化和液压油的可压缩性会引起压缩活塞速度波动,活塞在上、下止点处会发生合外力突变,减小二级活塞力可有效提高曲轴平衡性;在进气压力由30 bar下降到15 bar过程中,各工况下电机转速不均匀系数均小于1%,且压力变化会导致系统运行不稳定,从而影响系统耗能。研究结果可为离子液体氢气压缩机的设计优化提供参考。

体悬式驱动系统对高速列车动力学特性的影响

[目的]作为轨道交通车辆的动力来源以及传力部件,驱动系统会在一定程度上对车辆系统的动力学特性产生影响,因此有必要对此展开研究。[方法]通过多体动力学仿真软件SIMPACK建立了国内某型采用体悬式驱动系统的高速列车单节车辆动力学模型。基于仿真分析,研究体悬式驱动系统对车辆安全性和平稳性的影响,以及对转向架构架和车体振动加速度的影响。[结果及结论]体悬式驱动系统对车辆运行安全性和平稳性都会产生不同程度的影响,除横向平稳性指标外,其余指标均随车辆运行速度的增加而增大;体悬式驱动系统增加了构架横向、构架垂向及车体垂向的振动加速度,降低了车体横向振动加速度,且该系统对于车辆构件垂向的影响较横向更加显著;体悬式牵引电机的自振频率在车体上会有所体现,需避免牵引电机和车体发生共振。

含点蚀的行星齿轮系统动力学特性及损伤评估研究

齿面点蚀是一种典型的行星齿轮系统故障。为识别点蚀状态,本文开展动力学特性研究并提出了一种新型的评估指标。首先,虑及过渡曲线和齿间结构耦合效应,利用改进Weber法建立了精确的含点蚀故障齿轮副啮合刚度模型,并研究了故障程度对啮合刚度的影响规律。然后,综合考虑时变啮合刚度、静态传动误差、齿侧间隙和时变振动传递路径等多种因素构建了行星齿轮系统平移-扭转动力学模型,揭示了点蚀程度对系统动态特性的影响规律,并基于振动信号频谱特点提出了边带能量因子(Sideband Energy Factor,SEF)用于损伤评估。最后,利用实验验证了仿真模型的正确性及所提指标的有效性。

五轴联动机床主运动构件重复碰撞瞬态动力学特性分析

为了提高五轴联动机床的整体性能,提出五轴联动机床主运动构件重复碰撞瞬态动力学特性分析方法,对其主运动构件的动力学特性进行分析。建立五轴联动机床的运动学模型,对其运动学特性展开分析;根据机床的运动学特性,建立柔性杆重复碰撞系统以及碰撞过程的动力学方程;最后在St.VENANT杆波动理论的基础上分析柔性杆在多次碰撞和分离过程中的瞬态动力学特性。实验结果表明:与其他方法对比,所提方法能够准确获得柔性杆的变形、位移和撞击力变化情况,且具有较高的分析精度。

钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性,基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型,并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解,分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性,并与常规钢钻柱进行比较。结果表明:钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力,其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小;基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化,形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

阻尼模型的力学机制及对钻柱动力学特性的影响

钻柱动力学特性模拟中普遍采用Rayleigh阻尼模型来反映阻尼(包括钻井液阻尼)的作用,但很少关注选用该模型的合理依据,且其阻尼系数主要依赖经验确定.首先,在考虑非线性和钻井液阻尼作用的基础上建立了钻柱动力学有限元模型,实现钻柱动力学特性的模拟,然后,研究较为典型的Rayleigh阻尼模型、Caughey阻尼模型、Clough阻尼模型的力学机制及其内在联系,并基于实际算例研究3种阻尼模型对钻柱动力学特性的影响,比较不同阻尼模型下钻柱的横向位移、横向加速度、以及涡动轨迹和涡动速度.结果表明,l取−2∼1时的Caughey阻尼模型的阻尼值偏小,未能起到阻尼的黏滞作用,而l取其他数值时阻尼值又过大,可见取4项的Caughey阻尼模型并不适用于钻柱动力学模拟计算.Rayleigh阻尼模型和Clough阻尼模型可以有效反映钻井液的阻尼效应,所得钻柱动态特性比较贴合实际振动情况,但前者形式简洁,便于计算,更适用于目前钻井工程中的钻柱动力学模拟.

分岔结构处双乳液滴的动力学特性研究

复合液滴在化工、医药和生物检测等领域有着广泛的应用,尺寸以及壳层厚度是复合液滴应用过程中的关键特征参数,研究复合液滴的动力学特性对建立相应的操控方法具有重要意义,有助于进一步实现复合液滴的按需制备.采用微流控技术制备了Y形和T形两种分岔结构,研究了双重乳化液滴(双乳液滴)在分岔结构处的流动行为.根据内、外液滴的分裂次数,将流动模式划分为二次分裂、一次分裂和不分裂3种.分析了流动模式的转变规律以及液滴长度对流动模式转变的影响,通过内、外液滴延伸长度、颈部宽度和缝隙宽度等特征参数的演化过程,将液滴运动过程划分为3个阶段,不分裂模式下为挤压、过渡和恢复,一次分裂以及二次分裂模式下为挤压、过渡和断裂,并讨论了相应的动力学机制.发现液滴长度的增加能有效降低液滴与通道之间的间隙宽度,导致双乳液滴所受的挤压力与剪切力增加,有利于液滴的分裂.基于比较成熟的单乳液滴理论,分别建立了内、外液滴的临界分裂条件,T形分岔结构的分裂临界线高于Y形,并进一步构建了内、外液滴毛细数和初始长度决定的流动模式分布图,可以很好地划分不同模式的分布区域,对于调控双乳液滴特性参数具有重要参考价值.

修井船运动激励下修井隔水管-修井工具系统动力学特性

考虑修井工具的影响,开展修井船运动激励下修井隔水管系统动力学特性研究。基于梁理论建立了修井隔水管与修井工具的力学模型,施加了修井船运动、张紧系统及土壤等边界约束;使用间隙单元法建立了修井隔水管与修井工具的接触模型;基于有限元法与Newmark-β法建立了数值模型,对修井船不同运动下的修井隔水管系统动态响应进行了分析。结果表明:当修井船升沉运动时,修井隔水管轴向位移与修井工具轴向位移差异显著;当修井船纵荡时,修井隔水管与修井工具易发生规律性接触;当修井船纵摇运动时,修井隔水管与修井工具运动几乎一致。

混沌光纤激光器偏振分量的动力学特性

实验利用光纤的非线性克尔效应在掺铒光纤激光器中实现混沌激光的输出,详细研究了泵浦电流和偏振态等因素对系统输出的影响,分别对混沌光纤激光器偏振分量的输出功率,动态演变、互相关特性及光谱等动力学特性进行了详细分析。结果表明,混沌光纤激光器及其偏振分量的输出功率随泵浦电流的变化呈线性关系。随着泵浦电流的增加,混沌激光偏振分量历经周期、混沌和自脉冲的输出状态,与混沌激光器输出的动态演变步调一致。不同偏振态下,混沌激光偏振分量同样可实现从周期到混沌脉冲串的动态演变过程,偏振分量之间的相关性与系统的输出状态密切相关。实验对不同泵浦电流的光谱进行了分析,光谱的形状不随激光器输出的不同状态而改变,其中心波长基本保持不变。实验结果对研究新型偏振可控光纤激光器及多路光纤传感等应用提供了一种新思路,该工作对于探索混沌光纤激光器偏振分量的非线性动力学特性具有重要意义。

预压缩气垫包装系统静力及动力学特性研究

目的以柱形气垫包装系统为研究对象,建立静力及动力学模型,对静态压缩、自由振动和基础激励受迫振动特性进行研究。方法建立气柱压缩力数学模型,并通过试验、仿真验证模型,通过建立预压缩柱形气垫包装系统力学模型,研究静力及动力学特性。结果预压缩量和充气压力越大,包装系统固有频率越高。在包装对象宽度定值约束下,选取多个小直径气柱,固有频率更高,且薄膜应力更小。在基础激励下,包装系统固有频率处存在共振峰值,对高频域气垫表现出了较好的减振特性。结论所建立的静力压缩模型与试验、仿真结果较吻合,所建立的动力学模型合理,结果准确。

基于定切深和状态依赖时滞的共振冲击钻井系统动力学特性

为了研究共振冲击钻井系统的动力学特性,综合考虑钻柱的轴向动-静载复合冲击以及轴向冲击-周向扭转耦合运动,分别建立基于定切深方法和状态依赖时滞方法的钻进系统动力学模型。通过杜哈梅积分、四阶龙格-库塔方法对动力学模型求解,分析轴向简谐动载的频率和幅值对共振钻井系统动力学特性的影响;最后,基于数值求解结果和箱线图方法,对比分析两种钻进系统动力学模型特性差异。结果表明:在给定的初始条件下,当简谐动载频率从25 Hz提高到100 Hz时,钻进系统轴向方向的跳钻现象和扭转方向的黏滑效应明显减弱;当简谐动载幅值从30 kN提高到60 kN时,钻进系统轴向方向钻头跳钻现象频发,扭转方向黏滑效应加剧;在相同初始条件和简谐动载激励下,两种模型得到的动力学特性响应曲线无论是形状还是频率均存在差异,采用状态依赖时滞模型计算得到的数据点更加集中,更接近实际钻井工况;高频低幅的简谐动载能改善共振冲击钻井系统动力学特性,从而提高钻进效率。

典型服役热环境下舵面结构动力学特性试验技术

高超声速飞行器高速飞行过程会遭受严重的气动力叠加热载荷的复杂载荷联合作用,尤其是舵面结构,其在复杂载荷下的结构动力学特性是影响装备服役安全及可靠飞行的关键因素,通过试验进行验证和评估是一种有效的研究手段。舵面结构典型服役工况下表面温度高,迎风面与背风面气动热温差往往达到数百摄氏度,需要在试验中进行精确模拟。以C/SiC舵面结构为研究对象,设计并搭建了瞬态热环境下结构动力学特性试验系统,构建了一种加载温度高、迎风面与背风面温差大的典型服役热载荷环境,开展了舵面结构在该环境下的动力学特性试验研究,获取了结构的动力学特性变化规律。研究成果为典型服役热环境对现代高超声速飞行器舵面结构的动力学特性影响研究提供了重要验证手段。

极端风况下兆瓦级风力机动力学特性研究

鉴于强湍流和风向突变等极端风况导致风电机组事故频发的现状,该文提出一种适用于各种复杂风况的大型兆瓦级风力机动力学响应计算方法。将叶素动量理论、混合梁理论、有限单元法、修正的Newmark-β法及Lanczos解耦技术相结合,考虑柔性风轮的非定常入流效应、剪切变形和离心刚化效应、气动-结构阻尼影响、柔性部件结构耦合及非线性大变形等特性,探究极端连续阵风和极端湍流风况下风力机的动力学特性。研究发现,风向角会引起冲击载荷效应致使叶片和塔筒位移在趋于稳定前出现较大突变现象;叶片挥舞变形受极端湍流脉动特性影响较大,纵向湍流分量导致塔筒前后方向振动剧烈。结果可为极端风况下风力机气弹稳定性能判定、风电机组整机刚柔耦合动力学仿真技术实现提供一定参考。

进口防旋板对汽轮机交错齿迷宫密封泄漏特性和动力学特性影响研究

为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明:迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板数由36增加到72时,密封交叉刚度降低约24%,有效阻尼穿越频率减小约5 Hz;而当防旋板数由72增加到144时,密封的转子动力特性对防旋板数变化不敏感;综合考虑加工成本和止旋抑振性能,具有72个直防旋板的迷宫密封进口防旋板结构方案最优。研究结果可为交错齿迷宫密封防旋板设计提供参考。

不同偏航工况下受迫运动风力机动力学特性

针对不同偏航工况下受迫运动风力机的动力学特性,文章建立了弹性基础的风力机模型。在湍流来流的条件下,实现模型风力机无规律、多自由度旋转的受迫运动状态,研究风力机的尾流场分布特性及能量特性。结果表明:在偏航角为0°时,由于受迫运动风力机存在多自由度旋转运动,受迫运动风力机的尾流明显小于固定式风力机,而湍流动能大于固定式风力机尾流中的湍流动能;随着偏航角的增大,风力机的尾流和湍流动能分布均出现径向偏移现象,偏移方向与偏航角旋转方向相反,且尾流和湍流动能均随着偏航角的增大而减小;随着偏航角的增大,受迫运动风力机和固定式风力机的平均输出功率均减小,受迫运动风力机的平均输出功率均小于固定式风力机的平均输出功率。

加固用喷射型工程水泥基复合材料循环冲击动力学特性

传统工程水泥基复合材料(ECC)存在成本高、收缩大等问题,且缺乏关于加固用喷射型水泥基复合材料(SECC)循环冲击动力学特性的研究。基于此,采用霍普金森压杆对加固用SECC进行了压缩和劈裂两种方式下的循环冲击试验,系统分析了应力-应变曲线、变形和能量演化特征、疲劳损伤破坏特征,详细探究了各物理量的变化规律,并建立了力学特性预测模型。结果表明:循环压缩下,反射能转化率持续上升,而吸收能、透射能转化率持续下降;相比第1次冲击,最终破坏时吸收能转化率降低了63.94%。循环劈裂下,反射能转化率维持上升趋势,而透射能、吸收能转化率保持下降趋势;3次循环劈裂后,相比第1次冲击,最终破坏时吸收能转化率降低了0.72%;试件的变形损伤和能量损伤均随循环冲击次数的增加而增加,基于能量特征的损伤变量普遍高于变形特征下的损伤变量。两种循环冲击试验破坏时,能量损伤变量分别提高了913.19%和222.89%;SECC有助于为待加固层在冲击应力下提供所需要的柔性变形空间,也为动力能量释放提供了柔性缓冲空间。

节理倾角对深部凝灰岩动力学特性与能量传递的影响

为探究含节理深部凝灰岩在一维动载作用下的力学特性和能量传递规律,采用SHPB试验装置对7种指定天然节理倾角的凝灰岩试件进行冲击试验;试验过程中通过高速摄影仪对动态过程实时记录。从动态强度、能量耗散和宏观破坏等方面系统地分析节理倾角对深部凝灰岩动态响应特征的影响规律,结果表明:凝灰岩在节理倾角为45°时,动强度最小,动态抗压强度和峰值应变在节理倾角从0°增加到90°的范围内呈现出先降低到后上升的趋势。试件的最终破坏模式受节理倾角的控制,不同节理倾角的凝灰岩试件的最终破坏模式可分为拉伸破坏、拉伸–剪切复合型破坏、剪切破坏。在入射能量大致相同的情况下,凝灰岩的反射能比与透射能比随着天然节理倾角的增加呈现先下降后上升的趋势,在45°时最低,耗散能比则相反。能时密度随节理倾角的增大为先增大后减小,荷载作用方向与节理在45°~60°时吸收的能量较多并用于自身裂纹扩展。

高速动车组空气弹簧内部流场分析及其对动力学特性的影响

空气弹簧作为高速动车组二系悬挂中的重要元件,直接影响了车辆的运行品质,如何建立更加贴近实际的空气弹簧模型逐渐成为车辆动力学分析的重点。基于流体力学理论对空气弹簧内部气体方程进行了推导,依据动网格理论建立了空气弹簧流体力学模型,并通过台架试验验证了模型的准确性。探索了空气弹簧系统内部湍流的计算方法,研究了空气弹簧不同载荷下的刚度特性,进一步分析了空气弹簧的动态特性。研究空气弹簧系统结构参数对垂向特性的影响,通过对管路不同结构参数下Helmholtz共振频率的计算,得出当空气弹簧激振频率与Helmholtz共振频率相同时,会增大空气弹簧阻尼系数。不同连接管路直径下,频率在1.0~5.0 Hz内,随着频率的增大,动刚度明显增大,当频率大于5.0 Hz之后,动刚度逐渐减小并趋于水平;频率在0.5~5.0 Hz内,连接管路直径越小,阻尼系数越大且具有一定滞后性,当频率大于10.0 Hz之后,阻尼系数趋近于0。不同连接管路长度下,频率在1.0~7.0 Hz内,频率越大动刚度越大,当频率大于7.0 Hz之后,随着频率的增加,动刚度逐渐减小并趋于稳定;频率在1.0~9.0 Hz内,连接管路长度越短,空气弹簧阻尼系数越小。

袋型阻尼密封动力学特性双控制体Bulk Flow模型

为快速准确预测袋型阻尼密封泄漏特性和动力学特性,针对传统单控制体Bulk Flow模型预测精度低、无法预测交叉动力系数的问题,提出了袋型阻尼密封双控制体Bulk Flow模型和动力学特性数值预测方法,并开发了计算程序。首先,依据边界层理论,将袋型密封腔室划分为两个控制体,推导了控制体的连续性、周向动量和能量方程,引入Swamee-Jain和Takahashi方程,计算流体-壁面间和流体-流体间的周向黏性摩擦力;其次,采用牛顿-拉夫森算法和摄动分析法分别求解0阶和1阶控制方程,获得各刚度、阻尼动力特性系数;然后,通过与袋型阻尼密封泄漏量和动力特性系数的实验值、单控制体Bulk Flow模型和非定常计算流体动力学(CFD)数值结果进行比较,验证了模型和方法的准确性和可靠性;最后,研究了转子转速(10 000、15 000、20 000 r/min)和预旋比(0.067、0.724、0.997)对袋型阻尼密封动力学特性的影响。结果表明:所发展的模型和方法具有计算速度快、预测精度高(泄漏量预测误差小于6%,动力特性系数预测误差小于38%)的优点;转子转速和进口预旋的增大均会导致袋型阻尼密封有效阻尼显著减小,穿越频率显著增大,易诱发轴系失稳。