疫情下新工科实习实践教学面临的挑战与探索——以武汉大学能源动力工程专业为例

针对疫情期间能源动力工程专业实习实践教学面临的困难,武汉大学能源动力系专业实习小组教师经过深入全面调研基于现有的网络教学与虚拟现实技术提出行之有效的解决方案。实习选取临近城市的小型电站,采用了线上教师与电站工程师共同授课讲解,虚拟现实技术辅助教学,线下带领学生进行认知实习的方案,克服了包括实习企业、学生住宿、教学方式等困难问题,获得较好的实习效果。成果经验对工科实习实践教学具有借鉴意义。

新工科背景下智慧能源专业教学探索——有限元仿真在动力设备全生命周期管理课程中的应用与实践

为提升智慧能源专业本科生培养质量、提高学生在工程实践中的知识应用能力,文章针对当下“双碳”政策的发展和新工科背景下的能源人才需求,探讨通过线上线下相结合、辅以理论应用案例的教学方法,基于数值模拟方法和有限元仿真专业软件,在课程中开展动力设备全生命周期管理工程实例研究,引导学生主动学习、提高实践能力,通过重新整合教学内容和专业知识,提升学生的专业知识应用能力,促进学生对行业发展的理解。

水轮发电机组转子平行不对中非线性动力学行为研究

旋转机械是机械设备的重要组成部分,不对中的转子系统是导致机器设备出现故障的一个关键因素。如果在运转过程中出现不对中的故障,可能会对机械设备的稳定运行带来各种不利效果,例如引起转子和定子间的动静碰摩、轴承的摩擦损伤、轴的弯曲变形、油膜震荡、振动等,这些都可能严重干扰机械设备的稳定运行。对转子系统的不对中故障产生的机制与振动特征进行研究,对于准确地判断和掌握转子系统的运行状况显得尤为关键。针对水轮发电机组转子系统平行不对中故障和发电机转子系统转定间碰摩耦合故障,基于非线性转子动力理论和平行不对中故障的运动机理,构建了一个水轮发电机组转子系统的非线性动力学模型,该模型考虑了平行不对中和碰摩耦合故障的影响;探讨了发电机转子系统在机组转速、偏心量以及平行不对中量等多个参数变动下的非线性动力学表现。

新型双体波浪能转换装置多自由度耦合水动力特性研究

提出一种新型双体波浪能转换装置,其主体由浮标和可调节质心的摆体构成。利用AQWA进行频域仿真,获取装置的水动力参数,建立含黏性项的多自由度耦合的时域模型,并将水动力参数代入模型,分别开展规则波、不规则波的仿真,研究质心位置、PTO(power take-off)阻尼对装置性能的影响,最终根据真实海况划分若干不规则波并分别开展仿真,研究装置在真实海况下的发电性能。结果表明,装置可通过调节配重位置在不同周期的波浪中高效发电,且装置在小波高情况下也可以有效利用波浪能量,具有持续的发电能力。

纳米级粗糙界面法向接触特性的分子动力学模拟

精密仪器的应用推动了机械零部件的纳米化,然而关于纳米级粗糙形貌与接触参量之间映射关系的研究有限,且不同外加负载下粗糙界面接触参量的动态变化特性尚未完全被揭示。采用分子动力学方法研究纳米级粗糙界面的法向接触特性。首先,通过对表面功率谱密度函数进行逆傅里叶变换构建随机粗糙表面,建立具有纳米级粗糙度的铜-金刚石界面法向接触分子动力学模型。然后,从原子尺度模拟纳米级粗糙界面的法向动态接触过程,分析纳米级粗糙界面在不同外加负载作用下的动态变化特性,包括法向接触力、实际接触面积、界面等效变形量等关键参量。最后,模拟不同粗糙度的界面法向接触过程,建立等效接触变形量与实际接触面积间的映射关系。纳米级粗糙界面法向接触特性研究表明:接触界面粗糙形貌恒定时,法向接触力、实际接触面积、接触变形量与外加负载呈正相关;相同外加负载时,表面粗糙度的增加会使实际接触原子数量减少,进而导致法向接触力、实际接触面积和界面等效变形量的减小;原子间相互作用力和原子扩散效应直接导致接触参量的动态变化受表面形貌影响;实际接触面积随界面等效变形量呈非线性增长,且两者间存在幂律映射关系。通过分子动力学模拟,揭示纳米级粗糙界面实际接触面积与等效变形量之间的函数关系,研究成果可为微纳尺度界面接触研究提供理论参考。

基于微通道液冷板的动力电池热管理性能分析

为了保证锂离子动力电池的安全性能并延长电池的循环使用寿命,设计了一种基于微通道液冷板的电池热管理系统,对锂离子棱柱形电池进行冷却。建立了电池冷却系统的三维热模型,研究高放电倍率、冷却液温度和进口质量流量对电池放电过程中最高温度和最大温差的影响。结果表明:锂离子电池组在5C高倍率放电工况下,电池最高温度为301.942 K,温差为1.942 K,达到预期冷却效果;随着冷却液温度降低和进口质量流量增加,电池最高温度降低;随着进口质量流量增加,电池冷却性能改善,但趋势逐渐变小。当冷却液温度为296 K时,电池最高温度为297.662 K;当质量流量为15×10-7 kg/s时,温差为4.407 K。

含摩擦力的行星齿轮传动系统非线性动力学模型

建立了一种考虑摩擦力、时变啮合刚度、齿侧间隙和综合啮合误差的2K-H型行星齿轮平移-扭转耦合非线性动力学模型。分析计算了啮合齿对间的相对位移,根据啮合区啮合齿对数不断变化的特点,推导出不同啮合齿对间摩擦力力臂计算公式,考虑了双齿啮合区的齿面摩擦力对齿轮系统振动的影响,推导了系统多间隙,变参数和多自由度的动力学微分方程组。最后运用变步长Gill积分法求解系统多自由度间隙型非线性微分方程组,得到了考虑滑动摩擦力影响时系统的振动响应。

基于DTA方法的污泥与煤混合物燃烧反应动力学

选取污泥与煤的混合物在6个质量分数水平下进行了差热分析,运用Achar-Brindley-Sharp-Wend-worth法得到了反应动力学参数.表明反应过程由类挥发分物质的燃烧和类固定碳物质的燃烧两个阶段组成,混合物的燃烧特性与煤和污泥的特性有关,其反应特性是煤和污泥共同作用的结果.混合物的差热曲线可由煤和污泥单独的曲线与污泥质量分数加权计算得到,煤和污泥混合物燃烧反应过程中各自保持独立性.

含磨损故障的齿轮传动系统非线性动力学特性

为揭示磨损故障对于齿轮传动系统非线性动态特性的影响,利用Archard和Weber-Banaschek公式分别计算了齿面动态累积磨损量和磨损齿轮对的时变啮合刚度。建立含有非线性齿侧间隙、内部误差激励和含磨损故障的时变啮合刚度的三自由度齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学方程。采用变步长Gill积分方法对动力学模型进行了数值仿真分析,以系统的激励频率为分岔参数,计算系统的对应的分岔图;引入GRAM-SCHMIDT方法对系统的Jacobi矩阵进行正交化处理,计算系统的李雅普诺夫指数谱,同时结合Poincaré映射图和功率谱验证了李雅普诺夫指数谱和分岔图计算结果的正确性。通过研究发现了系统内部存在的丰富非线性现象,包括倍周期分岔途径、阵发性途径和多种拟周期通过锁相进入混沌的现象;在系统经由拟周期进入混沌的过程中发现了交替出现的拟周期与锁相现象以及拟周期运动时功率谱分量存在的Farey序列现象。研究结果表明含有磨损故障的齿轮传动系统具有非常复杂的动力学特性,而系统由周期运动进入混沌运动的途径也是丰富多样的。

含间隙高速多连杆传动机构动力学特性研究

针对运动副中存在间隙会使高速多连杆传动机构呈强烈非线性振动特征、严重影响机构运行可靠性问题,在研究运动副间隙动力学建模理论基础上,基于间隙矢量模型,建立高速多连杆传动机构含间隙旋转副的"碰撞铰"模型,并引入传动机构动力学模型,利用非线性弹簧-阻尼模型模拟接触碰撞的法向力,利用修正的库伦摩擦模型模拟接触碰撞的切向力;在特定工况下仿真获得其动态特性,指出多间隙转动副对机构特性有重要影响。研究间隙取不同尺寸时对机构运行可靠性影响,与采用理想运动副建立的连杆机构动态特性对比发现,多间隙转动副的存在会使机构速度、加速度特性产生运动滞后效应,加速度存在强烈冲击、波动现象,并分析产生原因。所用研究方法与参数分析结果可为多连杆传动机构优化设计与可靠运行提供参考。

四角切圆锅炉冷态空气动力场流动特性的实验研究

以某电厂 30 0MW ,10 2 5t/h锅炉为模型 ,针对水平烟道的烟温偏差问题 ,进行了锅炉整体冷模试验 ,对炉膛上部、水平烟道及转向室处烟气的流动进行模拟 ,明确了水平烟道内引起烟温偏差的烟气速度场偏置的具体情况及尾部烟道气流分布的特性 .

汽轮发电机组轴系扭转振动对机械参数的敏感性分析

针对某300MW汽轮发电机组模型,分析了扭振固有频率和振型对汽轮发电机组轴系转动惯量和刚度的敏感性。计算结果表明:无论是轴系整体转动惯量或刚度、还是局部转动惯量或刚度的变化,都会对扭振特性产生明显的影响;局部转动惯量或刚度的改变对特定阶的扭振的影响虽然不及整体转动惯量和刚度变化的影响大,但也十分显著;对特定振型贡献较大的轴段对此阶轴系扭振影响较大,在振型图上表示为此阶振型在这一轴段处的斜率较大;在实际中可以通过改变轴系局部结构,使某阶扭振固有频率避开特定的值,从而达到调频的目的,而在对汽轮发电机组轴系扭振研究的建模过程中,要精确确定扭振特性敏感性较高的那些部位的机械参数。

特高压断路器机械传动机构动态特性优化

为研究特高压断路器机械传动机构在冲击载荷作用下的宽带非线性特性,建立了考虑接触碰撞及结构柔性的断路器机械传动机构有限元模型,并利用ABAQUS动态显式积分法进行求解。通过改变传动机构结构参数进行传动效率优化研究;同时结合试验进行验证。研究结果表明：在考虑结构弹性时,仿真结果与试验结果误差≤5%;机构的应力呈现高频波动特性,且最大应力为568.3 MPa;随着机构瞬时速度的增加,动触头杆件的振动越剧烈;改变机构结构参数可使机构传动效率由79.45%提高到85.65%,且具有更好的振动特性。

考虑间隙的弹塑性断路器弹簧操动机构动力学特性研究

基于碰撞理论及Johnson-Cook模型,建立了含间隙某型高压断路器弹簧操动机构有限元弹塑性动力学模型,研究了机械系统中分、合闸过程大功率脉冲诱发的复杂宽带非线性动力学特性,探讨了销轴及轴套挤压变形及失效破坏的产生机理,同时采用动力显示积分法、通过试验测试及能量平衡理论验证了模型的准确性。研究表明:间隙会导致销轴和轴套发生接触碰撞,弹塑性会导致碰撞过程中弹簧操动机构的构件发生挤压变形,运动副间隙和构件弹塑性共同分配操动机构输入能量,需综合考虑才能得到较真实的机构动力学响应;适当增加间隙会将弹簧操动机构瞬间的部分驱动能量转换成铰接处接触碰撞的能量,由此降低了构件的弹性变形,缓冲了机构冲击振动。该结果可为机械操动机构研究提供参考。

行星齿轮传动系统动力学特性研究

运用拉格朗日方程建立了2K-H型行星轮系扭转振动动力学模型;在动坐标系中建立了2K-H型行星轮系平移-扭转耦合振动动力学模型,每个构件具有两个平移自由度和一个扭转自由度;建立了Ravingneaux型复合行星轮系在各个工况下的力学模型和数学模型,用来分析其自由振动特性,在MATLAB环境下运用GUI函数开发了齿轮传动系统动力学特性分析软件TVLab,以Ravingneaux型复合行星轮系为例,进行了动力学分析,结果表明此软件可以作为分析齿轮传动系统动力学特性的工具。

基于ADAM S的连杆机构多体动力学仿真研究

以柔性连杆为研究对象,应用多体系统动力学对曲柄-滑块机构进行了仿真研究.基于ADAM S建立了机构的虚拟样机模型,利用动力学仿真得到高速、重载下连杆柔性对系统性能的影响;通过连杆的振动模态分析了系统性能变化的机理,并用有限元法对连杆的动应力分布进行了计算和分析,使得在结构设计阶段就可以预估机构的疲劳寿命,实现了机构的虚拟样机设计.

基于增量谐波平衡法的复合行星齿轮传动系统非线性动力学

建立了包含时变啮合刚度、齿侧间隙与综合啮合误差的Ravigneaux式复合行星齿轮传动系统纯扭转动力学模型。运用增量谐波平衡法对系统运动微分方程组进行求解,得到系统的基频稳态响应。研究了时变啮合刚度、外部激励、齿侧间隙等参数的变化对系统动力学特性的影响。研究结果表明,间隙的存在使得复合行星齿轮系统的频响曲线出现了幅值跳跃与多值解等典型非线性特征,系统参数的共同作用使得复合行星齿轮系统出现了丰富的非线性动力学行为。利用该方法可以获得系统任意精度的近似解,为控制系统的振动与噪声,实现复合行星齿轮传动系统动态设计奠定基础。

基于地线改造的巡检机器人机械结构设计

针对目前研究的巡检机器人巡检效率低的问题,提出一种将巡检机器人和架空地线结构作为一个整体系统的研究方法,即将架空地线上的阻挡型防震锤、悬垂线夹和耐张塔头等阻挡型结构改造为无阻挡型道路结构,使得巡检机器人只需穿越这些越障碍物而无需跨越障碍物,从而大大提高机器人巡检效率。在此基础上,提出了一种沿架空地线行驶的自主巡检机器人系统,并着重阐述了线路改造和移动机器人机构两大关键技术。通过现场典型作业环境的运行试验,表明了提出的自主巡检机器人系统的正确性和良好的应用前景。

(Fe-Al)/Al_2O_3复合纳米粉体的机械球磨特性

采用机械球磨的方法制备(Fe Al)/Al2O3复合纳米粉体,通过对粉体的X衍射分析研究其机械球磨特性.结果表明:Al2O3阻碍球磨过程中的Fe、Al合金化,有利于粉末的纳米化和机械活化,并大幅提高出粉率.这对机械活化烧结FeAl基Al2O3弥散型块体复合纳米材料,提高机械球磨效率具有重要意义.

岩石钻掘过程钻头受力动力学解析模型

为深入研究钻头在岩石钻掘这一动力学过程中的受力变化规律,对钻头的钻掘过程进行了系统的动力学分析,建立了描述钻头在岩石钻掘过程中力与运动间关系的微分方程组,归纳了运动条件下影响钻头受力变化的各种影响因素。在对钻头钻掘岩石的运动过程进行解析的基础上,提出了运动条件下钻头压入力和切削力的解析计算方法,并分别给出了压入力和切削力的动力学解析方程。进行岩石钻进力学测试实验,结合相关实验结果对动力学计算模型和静力学计算模型进行了对比分析,研究表明:钻头在钻掘岩石过程中的受力与其运动状态密切相关;在其它条件一定情况下,钻头所受的压入力和切削力均随钻头推进速度V的增加而增加。计算结果显示动力学解析模型比传统静力学计算方法更接近实验测量值,而且更有利于直观方便地指导工程实践。