大型回转窑筒体结构的力学行为分析

运用理论分析和有限元技术,研究复杂重载、多支承、变刚度和超静定的大型回转窑筒体结构力学行为。基于超静定连续梁模型和赫兹理论,计算筒体支撑与摩擦载荷以及轮带与托轮的接触压力和面积,为筒体有限元建模提供边界条件。综合考虑多个附件对筒体载荷与刚度的复杂影响。通过定义当量密度等效处理重力载荷。由于耐火砖层的松散堆砌特点,在含耐火砖筒体模型中,若将耐火砖作为整体赋以砖块刚度与实际不符,故将弹性模量赋以小值,以减弱其刚度影响。首次解析推导出耐火砖对筒体的压力分布公式,建立效率更高、不含耐火砖的函数加载筒体模型。两种模型相互验证地分析筒体的变形和应力状态,并与文献中同类回转窑的应力结果接近。结果表明,回转转矩和摩擦阻力对筒体变形及应力的影响很小;筒体应力最高和横截面圆度最差的薄弱部位均在中间档支承处,解释了掉碎砖现象和潜在安全问题的发生机理,且与该窑体的维护记录相符。文中分析方法和结果对回转窑筒体的安全评估、补强设计和窑线调整均有参考价值。

回转窑液压挡轮的应力强度与疲劳断裂分析

运用有限元技术对一台大型沥青焦回转窑设备中发生断裂事故的液压挡轮部件进行强度失效分析及疲劳寿命估算。通过断口形貌分析和金相实验,得出失效机理为疲劳断裂的定性结论。利用Ansys软件建立挡轮的有限元模型,计算出应力和变形等一系列结果。在确定交变应力幅值及裂纹尖端应力强度因子的基础上,利用Paris公式预算含缺陷挡轮的疲劳寿命。在选材及造型设计上对挡轮提出改进方案,将韧性较差的铸钢材料替换为韧性较好的锻钢材料,并优化挡轮轮辐减重孔直径,提高挡轮的疲劳寿命,从而在强度及韧性上均达到最优。设计长期交变应力状态下的工件必须兼顾材料的强度、韧性及其造型优化,这一结论对各类动态承载机械零部件的设计均具有参考价值。

高分七号卫星激光测高仪激光器设计

高分七号(GF-7)卫星激光测高仪激光器是一台输出能量较大、光束质量要求又高的激光器。为了实现这样的技术要求,采用被动调Q的振荡级+两级板条放大器(MOPA)的技术路线,以激光二极管(LD)侧面泵浦的被动调Q之字形薄板条激光器作为振荡级,以实现近衍射极限的种子光输出,再通过两级之字形板条放大器,使最终输出的大能量激光束能够保持较好的光束质量,满足测高仪小足印光斑的要求。设计的振荡级采用双玻罗(Porro)镜谐振腔,实现输出能量2 mJ、光束质量因子(M 2)1.3、脉冲宽度3 ns。经过两级板条放大器后,输出光束M 2为1.5~1.8,单脉冲能量达到180 mJ,脉冲宽度为4~5 ns,证明激光器设计合理,可以作为对地观测类激光测高仪激光器的设计参考。

星载激光雷达激光器热控技术研究

为了满足星载大气探测激光雷达在轨应用需求,对该系统采用的空间大能量脉冲固体激光器进行了空间环境下的热控设计仿真及试验研究。首先根据激光载荷整体布局以及轨道特性参数分析并计算了激光器外部空间热环境,随后介绍了激光器构型及热设计,然后利用热传导以及空间热辐射理论建立了热分析模型,开展了激光器在轨热设计及仿真,并通过空间热真空环境试验验证了热控方案。激光器在轨工作温度波动优于±0.033℃,激光器内部关键器件大功率的激光放大器模块温度低于28℃,实现了大能量脉冲固体激光器在轨超高精度控温,满足了激光器在轨稳定运行工作的使用要求,为激光雷达在轨正常工作提供了重要保障。

大功率空间全固态激光器高效传导冷却技术研究

采用全新设计的大功率微重力热管,对大功率空间全固态激光器实施高效传导冷却,实现了对激光放大器废热的有效耗散,获得高光束质量、高功率的激光输出。鉴于激光板条放大器的主要热源为抽运激光二极管(LD)叠层及板条增益介质,实验设计了新型放大器散热结构,分别采用单通道和并行双通道微重力热管对两级串接放大器进行散热实验。结果表明,两级放大器热沉的温度均可稳定在设定的LD工作温度范围内,获得平均功率大于20 W,放大倍数大于20倍,光束质量因子M2x,M2y控制在1.42和1.31的激光脉冲输出。

希罗装置复杂通道的CFD仿真和FE分析设计

在分析希罗装置调节阀的失效情况基础上,揭示出其主要失效机理为气蚀;结合防止气蚀失效的现有技术和该调节阀的实际工况,提出管路压降优化设计的方案设想。利用CFD软件Fluent,采用k-ε湍流模型和Simplec算法,模拟比较了调节阀内流场在管路压降优化前后的湍流状况。结果表明:通过增设迷宫式限流孔板组,分担调节阀部分压力降后,气蚀程度可大大降低,从而延长调节阀使用寿命,提高经济效益。进一步对设想的限流孔板组进行有限元分析设计,由Fluent计算出孔板组内流场的边界压力分布,转化为孔板组的内压载荷,进而在ANSYS环境下采用适合于曲面边界的20节点三维等参元进行有限元应力分析和强度评定;对初始设计方案的几何参数进行调整和计算,最终获得既经济又安全的设计方案,并由应力分布特点确定挡板的合理焊接工序。分析中成功实现了流体与结构两种不同软件和力学模型之间压力载荷的无缝连接技术。该方法对各类复杂输液通道的优化与延寿设计均有参考价值。

基于相变材料冷却的光纤包层光滤除器的设计

针对高功率光纤激光器在空间等特殊环境下无水冷却的热管理要求,设计并研制了一种基于相变材料的高功率光纤包层光滤除器。采用正十八烷作为相变材料吸收包层光滤除器的产热,利用Ansys的Fluent模块仿真分析相变材料的相变过程及200 W下滤除器温度分布特性,实验采用0.246kg质量分数为99%的正十八烷对200W级滤除器进行热管理,在室温为25.6℃、滤除的包层光为206 W的情况下,该滤除器可稳定、安全工作360s。实验结果和仿真结果基本吻合。