Semi-analytical method for calculating aeroelastic effect of profiled rod flying at high velocity

The key technique of a kinetic energy rod(KER) warhead is to control the flight attitude of rods. The rods are usually designed to different shapes. A new conceptual KER named profiled rod which has large L/D ratio is described in this paper. The elastic dynamic equations of this profiled rod flying at high velocity after detonation are set up on the basis of Euler-Bernoulli beam, and the aeroelastic deformation of profiled rod is calculated by semi-analytical method for calculating the vibration characteristics of variable cross-section beam. In addition, the aeroelastic deformation of the undeformed profiled rod and the aeroelastic deformation of deformed profiled rod which is caused by the detonation of explosive are simulated by computational fluid dynamic and finite element method(CFD/FEM), respectively. A satisfactory agreement of these two methods is obtained by the comparison of two methods. The results show that the semi-analytical method for calculating the vibration characteristics of variable cross-section beam is applied to analyze the aeroelastic deformation of profiled rod flying at high velocity.

利用代数-阿基米德双螺线构建变截面涡旋齿组合型线

变截面涡旋机械组合型线由于不同类型曲线采用不同的模型参数,型线的数学模型较为复杂且连接条件不易通过显性计算获得.针对上述问题,提出由代数螺线-阿基米德螺线双螺线组合的新型涡旋型线.首先,基于共轭啮合理论求解螺线类涡旋型线曲线极角与主轴转角之间的关系,推导出螺线类涡旋型线的归一化数学方程.其次,根据组合型线的光滑连接条件建立双螺线涡旋型线连接点的约束方程,得到两类双螺线涡旋型线的几何模型.然后,定量分析了第一类双螺线组合型线参数(螺线指数、螺线系数和连接点极角)对涡旋齿几何性能的影响.最后,对比研究了双螺线组合涡旋型线的性能优势.结果表明:第一类双螺线组合型线几何表征简洁、无需进行齿头型线修正即可直接使用;在涡旋齿径向尺寸相同条件下,与传统圆渐开线涡旋齿相比,行程容积提升了7.61%,压缩比提升了27.42%,面积利用系数提升了7.61%.

新型变壁厚涡旋型线的构建与性能研究

为解决等壁厚涡旋型线压缩比低、结构不紧凑、传统变壁厚涡旋型线气体力变化幅度大的问题,设计了一种由基圆渐开线、高次曲线和变基圆渐开线组合的新型变壁厚涡旋型线,并建立了该型线的基本几何理论。为定量衡量该型线的性能,特引入表征型线几何性能的两个关键指标—压缩比和体积利用系数以及力学性能的两个重要指标—轴向气体力和切向气体力对其进行评价。研究结果表明:新型变壁厚型线的几何性能与力学性能受半径变换率的影响较大,在相同设计条件下,随着半径变换率的减小,不仅压缩比和体积利用系数显著提高,而且所承受的轴向气体力和切向气体力的变化幅度也明显变小。可见,采用半径变换率较小的新型变壁厚型线有助于进一步提升涡旋型线的性能。

涡旋压缩机的变截面涡旋齿及型线设计

针对现有涡旋压缩机涡齿径向多点啮合、运行噪音大、内泄露的问题,提出变截面涡旋齿及其型线设计方法,得到一种两点啮合的渐变壁厚涡旋齿,使得在一个公转平动工作循环中,动涡外壁三角函数渐开线与静涡内壁三角函数渐开线、动涡内壁三角函数渐开线与静涡外壁三角函数渐开线均为两点啮合.建立涡旋齿的几何理论,比较变壁厚涡旋齿和等壁厚涡旋齿的性能参数.结果表明,所提出的涡旋齿两点接触使压缩机运行平稳、噪音低、内泄露少、能效高.

采用圆渐开线的非对称等壁厚涡旋型线设计与性能研究

针对现有等壁厚型线压缩比小、行程容积小,变壁厚型线气体作用力变化幅度大、加工测量困难等问题,提出了一种采用基圆渐开线构建非对称等壁厚型线的设计方法。利用所提方法建立了一种全啮合的非对称等壁厚涡旋齿,并推导出工作腔容积计算公式,得到了作用在动涡旋齿上的轴向、切向及径向气体力随主轴转角的动态变化历程。研究结果表明:新构建的非对称等壁厚型线与传统的等壁厚型线及变壁厚型线相比,其行程容积分别提高了25.99%和7.82%,压缩比分别提高了19.70%和2.04%;而轴向气体力、切向气体力和径向气体力的变化幅度却显著减小,这也证明新构建的非对称等壁厚型线能更好地兼顾传统型线的优点,在容积性能和动力学性能方面更具优势。

变截面涡旋压缩机几何模型及摩擦损失模型

给出一种组合型线的变截面涡旋压缩机几何模型,建立其容积、气体力及摩擦损失等的数学模型,通过New-ton-Raphson数值方法对损失模型进行求解,得出摩擦损失功率、电动机轴功率及机械效率在不同转速下的变化曲线.通过对其曲线规律的分析,得出主轴承的摩擦损失是影响机械效率的主要因素,在优化及实际生产中应予以重视.

变基圆半径渐开线涡旋膨胀机的研究

研究变基圆渐开线涡旋膨胀机的型线方程及膨胀容积问题。本文首先根据涡旋机正常工作的原则,推导出了变基圆半径渐开线型线构成涡旋膨胀机所必须满足的条件,然后根据变基圆半径渐开线涡旋型线的构成条件求出了变基圆半径涡旋线的型线方程。依据型线方程给出了动涡盘和静涡盘内外壁面的坐标方程,根据坐标方程画出了变基圆半径渐开线构成的涡旋腔,并分析了变基圆半径渐开线型线构成涡旋膨胀机的几何特点。最后根据涡旋腔的容积变化规律和啮合点的特性,求出了各个腔室的展角范围,并以第二膨胀腔为例,利用法向等距线法推导出了变基圆半径渐开线涡旋膨胀机各个腔室的容积计算公式,为进一步研究变基圆半径渐开线涡旋膨胀机提供了一定的理论基础。

变截面涡旋压缩机型线的研究

利用微分几何学中共轭曲面啮合原理,推导出涡旋齿啮合的基本条件方程式,并在此基础上提出了一种新的混合型线.通过描述新型线的设计及在AutoCAD上的实现过程,为变截面涡旋压缩机的设计工作提供了一种新的思路和方法.

涡旋压缩机复杂变截面涡旋型线高速加工研究

针对变截面涡旋压缩机涡旋组合型线的复杂性,齿槽窄、齿高厚比大、变形量大和加工精度要求高且在高速切削中易产生颤振等加工难点,利用有限元法获取粗、精加工涡旋盘的实体模型,键槽铣刀和立铣刀的模态参数,并通过MATLAB软件得到进给速度和激振频率的拟合曲线,切削速度和激振频率的拟合曲线,避免了粗、精加工切削参数选择不当引起的振动,为高速切削用量的选择提供了理论依据。通过切削实验加工出了变截面涡旋盘,证实了方案的高效可靠性。

IHV变截面涡旋型线等效齿厚计算模型与几何性能分析

针对等截面涡旋型线压缩比小和效率低的问题,提出一种由基圆渐开线-高次曲线-变径基圆渐开线(IHV)组合成的变截面涡旋型线,以发挥各类曲线的优点。依据法向等距线法建立了涡旋数学模型,综合考虑基圆半径、变径基圆变径系数以及型线连接点渐开角等几何参数提出IHV型线涡旋齿等效齿厚计算模型,得到齿厚随渐开角变化规律并定量分析了各参数对型线齿厚的影响。建立IHV型线行程容积、压缩比和泄漏线长度等性能指标计算模型并对其性能进行评估。研究结果表明:变径系数时,与圆渐开线构成的等截面型线相比,IHV涡旋型线行程容积增大5.82%,压缩比增加6.95%,径向泄漏线长度缩短26.80%;与常见的IHI变截面型线相比,行程容积和压缩比分别提高6.57%,7.85%。

变截面复杂涡旋型线的加工几何与力学仿真

由于变截面涡旋压缩机型线非常复杂,加工精度要求也非常高,导致在通用数控机床上实现高效、高精、高可靠性量产面临诸多困难。文章利用CAD建立变截面涡旋齿实体模型,CAM进行加工策略规划。结合加工条件,建立了圆柱立铣刀动态切削力模型,针对不同加工策略,进行切削力时域仿真,获取了相应的颤振稳定域图,优化了切削参数。最后利用Vericut软件对实际加工特性进行可视化仿真,实现了几何仿真和动力学仿真的完美结合,获取了涡旋齿的过切和残留量。实现在首次生产时,就能加工出合格零件,从而节约时间和成本,提高加工质量,最大限度地发挥现有装备、工具以及加工工艺的生产力。

二阶可微型线对涡旋压缩机性能的影响

针对传统变截面涡旋型线在构造形式上采用一阶可微连接方式时存在型线不光顺的问题,提出一种基于二阶可微的涡旋型线连接方法。利用该方法建立了吸气腔、压缩腔和排气腔的容积模型,并对作用在动涡旋上的轴向、切向和径向气体力在实际工况参数下进行了模拟计算。计算结果表明:涡旋型线的连接方式对涡旋压缩机容积性能和动力性能的影响比较显著;相比于一阶可微,采用二阶可微连接方式,行程容积和压缩比分别提高了19.20%,17.13%,轴向力、切向力和径向力均明显减小。可见,采用二阶可微连接方式的变截面型线涡旋压缩机,容积性能较高,动力学优势会更加突出,研究方法和结果可为涡旋压缩机设计提供参考。

变截面涡旋膨胀机的数学模型及试验研究

为了研究变截面涡旋膨胀机的性能,提出了一种由圆渐开线、高次曲线、双圆弧加直线修正构成的组合曲线,根据其涡旋型线的数学表达式,建立了热力学模型和气体力模型。通过对建立的数学模型求解,得到了容积、压力、温度和输出功率随主轴转角的变化规律。研制开发了变截面涡旋膨胀机并搭建了性能测试平台,对不同进气压力下的发电功率进行了测试,结果表明,构建的数学模型能够较为准确地描述变截面涡旋膨胀机的吸气、膨胀及排气全过程,从而证明了所建数学模型的正确性。

电动车空调用变壁厚涡旋压缩机的性能研究

建立了变壁厚涡旋压缩机型线方程。在变壁厚条件下针对某一款电动车空调用涡旋压缩机对其容积特性、动力特性和热力学特性进行计算,并与等壁厚涡旋压缩机进行比较。计算结果显示:同款变壁厚后的涡旋压缩机吸气容积提升7.90%,压缩过程的容积变化率减小,轴向气体力较等壁厚稍有增大,同时相比于等壁厚涡旋压缩机制冷量和制冷COP分别提高15.55%和41.68%。

基于Frenet标架的变截面涡旋型线构建与性能研究

在涡旋压缩机的型线设计中,针对传统等截面涡旋型线压缩比低、动静涡旋面积利用率不够充分等问题,提出一种新型的变截面涡旋型线.运用Frenet标架分段构建了由圆渐开线和三次曲线组合而成的涡旋型线并建立了该型线的基本几何理论.引入行程容积、压缩比、面积利用系数、轴向气体力以及切向气体力对涡旋型线的性能进行评价.结果表明,与传统的由单一圆渐开线构成的等截面涡旋型线相比,新构建的变截面涡旋型线的几何性能显著提高,而动力性能的变化幅度较小;行程容积、压缩比和面积利用系数分别提高了8.80%、10.57%和8.84%.

型线参数对变截面涡旋压缩机齿厚的影响

为定量研究变截面涡旋压缩机的齿厚变化规律,提出一种由圆渐开线、高次曲线和圆弧组合而成的变截面型线,根据几何模型得到了一种计算变截面涡旋齿齿厚的数学模型,通过对此数学模型的求解,详细分析了影响齿厚的因素,精确建立了齿厚与型线参数(基圆半径、回转半径、齿厚控制系数、最大展弦和连接点)之间的关系.研究表明:所建立的数学模型能够准确描述变截面涡旋齿的齿厚变化规律,并且可以根据设计需求对齿厚的大小以及变齿厚的起始位置进行定量设计,为涡旋齿的柔性化设计提供了思路,该数学模型同样适用于其他类型组合型线的涡旋齿齿厚计算.

一种由代数螺线构成的变截面涡旋机械

通过将渐变壁厚涡旋模型和变截面涡旋模型相结合,尝试建立一种兼顾两者优点的变截面涡旋模型.给出不同极径的代数螺线相互替代的充要条件,阐述建立基线的基本条件,论述型线的生成方法,推导出型线的一般方程,建立一种由代数螺线组成的新型变截面涡旋机械.给出建立几何模型的快捷方法,根据不同的要求可以快速建立一系列代数螺线变截面涡旋模型,减少建立变截面涡旋模型的计算量.研究结果表明:在相同极径、终端展角、偏心距和齿高的情况下,新型代数螺线变截面涡旋模型的排气量比圆渐开线等壁厚涡旋模型提高了21%,且以较少圈数即可实现高压缩比.

基于Frenet标架的变截面涡旋压缩机型线的研究

针对传统变截面涡旋型线难以达到最佳压缩特性的问题,提出了一种基于Frenet标架的涡旋型线构建方法,利用该方法构建了由不同基圆半径的圆渐开线组合而成的变截面涡旋型线,并提出了该型线的基本几何关系,推导了工作腔容积计算公式,引入了行程容积、压缩比和面积利用系数三个性能指标对其性能进行评价.结果表明:新构建的变截面涡旋型线与传统的变截面涡旋型线相比,其行程容积、压缩比和面积利用系数分别提高了9.12%,16.44%和9.06%.

一种新型变壁厚涡旋型线的构建理论

在深入研究涡旋压缩机型线构造方式的基础上,提出了一种利用Frenet活动标架构建涡旋型线的新方法,利用该方法构建了一种新型的变壁厚涡旋型线,并建立了该型线的基本几何理论,详细推导了工作腔容积。在此基础上引入了压缩比、面积利用系数、轴向气体力和切向气体力4个性能指标,对其性能进行评估。结果表明:在相同几何参数条件下,与传统的变壁厚涡旋型线相比,新型变壁厚涡旋型线的各项性能均较优,不但压缩比和面积利用系数分别提高了7.15%和4.84%,而且所受的轴向气体力和切向气体力也明显较小。可见,采用新型的变壁厚涡旋型线有助于进一步提高涡旋压缩机的性能。