相似理论及其在机械工程中的应用

在过去一段时间内,科学技术发展迅速,理论知识不断涌现,在一定程度上推动了社会经济的发展,也为民众生活提供了极大的便利。近几年,我国机械工程领域发展迅速,有效减少了人员的工作量,也规避了人员因素对工作开展进度及质量的影响。在机械工程领域中,相似理论有着较为广泛的影响,其强调分析物理现象的相似性质及相关必要因素,以此为机械工程领域的发展提供可靠的支撑。在机械工程领域应用相似理论,能够借助模型开展试验,这种情况下,工作中存在的问题能够得到妥善的处理,对机械工程领域的发展有着极大的帮助。本文研究分析了相似理论及s其在机械工程中的应用,希望能够为机械工程领域的发展提供一些帮助。

基于相似理论的激光表面淬火大型风电主轴轴承性能试验

针对大型风电主轴轴承激光表面淬火后试验验证困难的问题,提出基于相似理论的轴承试验方法。首先,推导了原型轴承与缩比轴承之间各物理量的关系;然后,开展激光表面淬火与传统表面淬火2种不同工艺处理的缩比轴承加速寿命试验,通过对比2种缩比轴承试验前后的润滑脂和游隙变化量考核加速寿命试验中的轴承性能;最后,基于相似理论将试验结果推广至原型轴承。试验结果表明,激光表面淬火轴承的服役性能优于传统表面淬火轴承,验证了激光表面淬火工艺在大型风电主轴轴承表面强化加工中应用的可行性。

相似理论在航空发动机总体性能仿真中的应用

以相似理论为指导研究了外界大气温度、飞行高度和飞行马赫数变化时对发动机总体性能参数的影响,并进行了各换算参数的变化曲线研究。结果表明构建的模型发动机换算燃油流量的最佳θ指数为0.67,该值和发动机型号相关,具体的发动机需要单独优化;同时发现,对于温度参数来讲,即使是同一款发动机,不同截面处的换算温度的最佳θ指数也不一致。通过七个初猜值的相似换算值与换算低压转速的变化规律研究,发现在保持飞行马赫数不变的情况下换算参数的曲线离散性较小,仿真计算中以飞行马赫数为参变量构造多条初猜值曲线,保证迭代计算初值的合理性,能较好的降低迭代次数,提高数字仿真速度。

基于相似理论的复合地基弹性垫层模型试验研究

为了对比分析不同桩型(半刚性桩和柔性桩)、不同垫层材料(砂垫层、碎石垫层、弹性垫层)和垫层厚度对复合地基承载特性的影响,需要开展复合地基室内模型试验研究。在研制模型试验系统、建立符合模型试验要求的模化条件和相关准则的基础上,分析了复合地基的承载特性,引入了弹性垫层模拟实际工况的可行性。结果表明,随着垫层厚度的增大,桩土应力比有所减小,上刺入量会逐渐增大。柔性桩的桩顶面中心点沉降量明显小于半刚性桩,一般差值在10 mm左右;柔性桩的分级加载分界点在60 kPa左右,半刚性桩则在80 kPa左右。弹性垫层相比于砂垫层和碎石垫层,其整体性相对更好,可将原有的“100~200 mm砂垫层+荷载板”改为“小于100 mm的砂粒找平层+弹性垫层+荷载板”,以更好地发挥实际垫层在复合地基的作用。

基于相似理论的隧道模型试验设计研究

隧道相似模型试验是研究隧道工程施工中岩体和支护力学特性的一个重要手段,通过相似模型试验能够快速且经济地反映出实际隧道工程施工的基本力学规律。以相似理论为研究依据,结合桐梓隧道施工过程,考虑了试验台架尺寸、岩体相似材料、支护系统以及量测系统这几个因素进行模型试验设计。采用模型试验装置成功地完成了三台阶法、CD法、双侧壁导坑法开挖隧道的模型试验,试验结果基本符合实际情况。试验结果可知,采用双侧壁导坑法开挖隧道,有利于围岩的稳定;采用三台阶法和CD法施工,可以提高施工效率。

基于莫宁-奥布霍夫相似理论的地面站点风速预报偏差订正

地形不匹配会导致风速预报出现偏差。Monin-Obukhov(莫宁-奥布霍夫)相似理论表明近地面风速垂直变化符合对数率特征,基于相似理论并引入大气稳定度判定因子构建偏差订正方案,将地面风速预报由模式地形订正到实际地形。针对冬季和夏季华北区域内760多个站点进行15 d的批量试验发现,使用订正方案后冬季和夏季00时(世界时)起始预报的模式前12 h风速预报的平均偏差可以降低20%以上,24 h预报偏差降幅也可达到10%以上,不同预报时效内风速的均方根误差可降低5%~8%。说明使用偏差订正方案可以对模式地面风速预报产生明显正效果。

火灾作用下轻型钢构件(结构)热-力耦合类相似理论研究

基于结构静力试验相似理论与温度场类相似理论,对轻型钢构件(结构)的热-力耦合类相似理论进行了研究。并通过钢柱、钢梁和钢框架的原型结构耐火极限与缩尺模型的耐火时间对比分析,对该理论进行了验证。结果表明:结合结构静力试验相似理论与温度场类相似理论,可使缩尺模型的耐火时间与ISO834标准升温曲线作用下原型结构的耐火极限相同,即火灾作用下轻型钢构件(结构)热-力耦合类相似理论成立。当模型自重对荷载的影响不可忽略时,可通过人工附加配重的方法来弥补缩尺模型材料容重的不足。

边界层局地相似理论在草原下垫面的适用性检验

利用锡林浩特草原平坦下垫面塔层湍流资料,对常值通量层的高度进行了估计,检验了局地相似理论在均匀草原下垫面的适用性,对Monin-Obukhov相似理论和局地相似理论在常值通量层以上的大气边界层的适用性进行了比较。结果表明:(1)对于锡林浩特草原来说,常值通量层厚度在50m左右;(2)通过分析无量纲风速和温度梯度、无量纲风速方差、无量纲标量(温度T、水汽q、CO2浓度C)方差与稳定度z/L之间的关系,验证了局地相似理论在均匀草原下垫面70m以下大气边界层的适用性;(3)感热通量尺度与浮力长度尺度之间存在线性关系;(4)从经典Monin-Obukhov长度、局地Monin-Obukhov尺度和浮力长度尺度的对比分析来看,局地尺度更适用于50m以上的大气边界层,而浮力长度尺度不适用于50m以上的大气边界层。

基于相似理论的矿井回风源分离式热管研究

以山西省某实际矿用分离式热管换热系统为原型,基于相似原理,得到几何、风速、换热量等物理量的相似倍数关系,搭建以R22为传热工质的矿井回风源分离式热管换热系统,开展变风量实验。结果显示:努塞尔数Nu实验值与经验值的平均偏差达到40%,欧拉数Eu实验值与经验值的偏差最高达到71.53%。现有的Briggs&Young传热、阻力经验公式不能准确描述矿井回风余热回收背景下的分离式热管换热器传热及阻力损失情况,提出适用于该条件的传热、阻力特性实验关联式,并给出适用范围。

用伪折射率和相似理论计算海上蒸发波导剖面

本文说明了以伪折射率为相似参量用相似理论估算蒸发波导高度的理论方法 .由于海面附近折射率梯度变化可近似认为与气压无关 ,所以定义了伪折射率 ,推导了其相似公式 ,得到了蒸发波导高度满足的方程和一般文献都未给出的M剖面计算公式 .本文给出了本方法的计算机模拟典型结果、利用实测海洋资料计算的蒸发波导高度等参数的统计结果蒸发波导剖面以及海上折射率测量结果和本方法预测结果的对比结果等 ,这些结果表明本文给出的方法是有效的 .

岳阳洞庭湖大桥模型动力相似理论分析

利用相似理论分析了岳阳洞庭湖大桥模型的动力相似准则 ,利用模态分析理论得出各模态参数的相似比 ,进一步探讨了实际模型在近似满足动力相似下的相似关系 ,得到了理想与实际两种条件下各动力参数的相似比值。

基于流体相似理论和三维有限元法计算大中型异步电动机的定子三维温度场

采用流体相似理论和三维有限元法计算了计及定子绕组股线绝缘和不计股线绝缘两种情况下 ,具有轴径向通风系统的大中型异步电动机定子三维温度场 ,分析了股线绝缘对定子温度场的影响。采用有限元法对若干影响定子温度场的相关因素进行了数字模拟研究 ,得出了相应的结论。

利用相似理论预测焊接变形的研究

针对薄壁结构,从弹性能的角度出发,利用基于温度场相似的相似准则和数值分析的手段,提出一种研究焊接残余变形的模型方法,并进行了试验验证。

多重环境时间相似理论及其应用

为了有效地评估混凝土结构的耐久性,通过引入与研究对象具有相似环境条件且具有一定服役年限的第三方参照物,以经典的相似理论为基础,提出多重环境时间相似理论.该理论分析了混凝土结构在室内加速试验环境与现场自然环境条件下性能退化的时间相似关系,为利用室内试验结果对现场结构进行耐久性寿命预测和评估奠定了理论基础.多重环境时间相似理论不仅适用于混凝土结构耐久性评估,而且可以用于输电线路覆冰后的安全性、结构在地震作用下的动力响应、卫星在发射阶段的动力特性分析等.以沿海混凝土结构耐久性寿命预测为例介绍了多重环境时间相似理论的具体应用.

相似理论在焊接温度场和应力场及应变场中的应用

从焊接热效应为焊接残余应力和残余变形的根本原因出发 ,认为相似温度场是相似应力场及应变场的前提。利用因次分析法 ,忽略弹、塑性形变能及相变引起的能量变化 ,推导出焊接温度场相似应满足的条件。在此基础上 ,利用方程分析法导出应力场及应变场的对应关系。为了进行数值验证 ,还推导出为满足相似温度场高斯热源应具备的必要条件。为了表明所推导相似条件的可行性 ,本论文利用平板表面堆焊的数值模拟进行验证 ,得到较好的结果。

基于变态相似理论的供水管网试验模型研究

建立供水管网试验模型的目的是便于研究真实城市供水管网中管流的水力特性和水质情况。根据管流的变态相似理论,推导了供水管网原型和试验模型之间的各种相似关系,分析并确定了承压管网符合欧拉相似定律。依据管网的简化原则,对区域复杂的管网进行简化,得到能够建立试验模型的管网结构,提出了构建供水管网试验模型的具体方法和步骤,确定了试验模型的变态率和具体参数。应用EPANET软件模拟管网运行情况,对比管网试验模型和原型的运行检测数据,证明模型和原型的管道流量、流速指标能够很好地满足相似关系,表明此模拟方法准确可靠。

基于相似理论的虚拟样机有效性的研究

从相似理论的角度 ,剖析了虚拟样机技术 ,认为在虚拟样机建模中存在着大量的相似问题 ;以相似理论为基础对虚拟样机可信度判定进行了深入研究 ,对虚拟样机和实际系统相似要素和两系统相似程度进行了量化 ,给出了系统相似度及相关的计算公式 ,并以立式行星磨虚拟样机为例 ,验证了上述方法的正确性。

基于相似理论解决水轮机转轮数值分析困难的方法

为解决水轮机转轮在数值模拟过程中存在单元数量大、增量步多的困难,以相似理论为基础,提出基于温度场完全相似的虚拟模拟件的概念,同时结合利用热传导理论得到的表征模拟件与实际结构之间焊接残余应力差异的应力修正系数,推导出模拟件与实际结构之间焊接残余应力的对应关系。对尺寸比例系数是1.5:1的转轮实体与模拟件的焊接残余应力场进行数值分析。结果表明,转轮模拟件沿叶片出水边上的焊接残余应力分布规律与转轮实体基本相同,且转轮实体与模拟件在叶片出水边的焊缝附近对应位置的残余应力比值与基于相似理论得到的转轮实体与模拟件的焊接残余应力比值的误差在10%以内。这充分说明基于相似理论建立的转轮模拟件可以代替转轮实体进行数值分析,从而解决了转轮实体在模拟过程中存在的问题。

水库分层取水水温模型试验的相似理论

依据连续性方程、运动方程和能量方程,结合水库分层取水的流动特点,对水库水温模型试验的相似关系进行了理论分析,提出了模型和原型相似应满足的条件,以及模型与原型水温换算关系。依据所提出的模型相似理论,将二滩水电站物理模型试验的所测下泄水温转换成原型数据后,与原型实测资料进行对比,结果表明,两者吻合较好,验证了本文模型相似理论的正确性。研究成果可为开展水库分层取水下泄水温的试验研究提供理论基础。

动力学相似理论及在结构振动分析中的应用研究评述与展望

相似试验模型在大型结构振动与冲击试验研究中起到重要作用。综述动力学相似理论在结构动力学相似试验模型设计中的应用研究进展与发展趋势,并引述大量文献。总结动力学相似理论在多个领域的结构振动与冲击问题分析中的主要成果,包括动力学相似理论在海洋结构、土建结构及大型动力装备动力学相似试验模型设计中的应用,复合材料结构的动力学相似设计方法,以及转子系统的动力学相似试验模型设计方法。介绍动力学相似理论的重要研究进展情况,如畸变试验模型的设计及修正方法、动力学相似模型的试验验证。讨论动力学相似理论在结构振动与冲击研究中存在的主要问题并做出展望。