弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑解

弹性箔片空气动压轴承被广泛应用于各种透平机械中, 然而由于其结构的复杂性, 对于这类轴承的建模、静动态性能计算以及相应转子系统动力学分析等理论研究一直处在严重滞后于实验研究的被动局面. 通过引入柔性箔片的静、动变形以及联立求解气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的静、动变形方程, 给出了弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑耦合解, 完全气弹润滑解不仅适用于箔片轴承的静态性能分析, 同样也适用于动态刚度和阻尼的计算, 从而为弹性箔片空气动压轴承静、动态性能分析和相应转子系统动力学行为预测提供了系统的理论与分析方法.     

复层孔隙分布含油轴承的孔道渗流及润滑机制

含油轴承基体中油液的渗流行为对轴承油膜润滑性能影响显著.以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象,耦合分析轴承系统(包括轴承间隙和多孔轴承内部)的流体流动,基于Darcy定律描述油液渗流行为,并在极坐标下建立含油轴承系统的渗流润滑模型,研究轴承系统中油膜压力的分布规律,分析表面粗糙度、结构参数等对油膜润滑性能的影响.采用粉末冶金工艺制备不同表层孔隙率的复层含油轴承试样,在端面摩擦试验机上开展含油轴承的摩擦学实验,并对数值分析结果进行验证.结果表明,与普通单层含油轴承相比,不同孔隙率分布的复层含油轴承能阻止润滑油液渗入多孔介质,提高轴承润滑性能;随着综合表面均方根粗糙度增大,油膜润滑性能变好,随着表层厚度或表层渗透率增加,油膜润滑性能变差.摩擦实验与润滑理论分析具有相似的结论,验证了所建数值模型的可靠性.研究工作为明晰含油轴承渗流润滑机理及其影响机制提供一定理论依据.     

飞轮储能系统机电耦合非线性动力学分析

对永磁悬浮-机械动压轴承混合支承式飞轮储能系统的机电耦合动力学问题进行了研究. 基于机电分析动力学原理, 给出了系统各部件的动能、势能、电机气隙磁场能和系统的耗散函数, 并由广义Lagrange-Maxwell方程建立了系统的机电耦合动力学微分方程组. 推导出了适用二阶多自由度常微分方程组的四阶隐式Runge-Kutta公式, 并运用Gauss-Newton法求解了机电耦合动力学非线性代数方程组. 完成了储能0.3 kW飞轮系统动力学特性分析, 研究结果表明, 上阻尼系数变化对储能飞轮系统的机电耦合共振频率没有明显的影响, 但是使系统的共振峰幅值大幅降低. 随着下阻尼系数增加, 系统的机电耦合共振频率增大, 同时系统共振峰幅值下降. 随着电机转子稀土永磁体剩余磁感应强度增大, 系统的机电耦合共振频率减小, 同时系统共振峰幅值增大.     

黎卡提差分方程在电磁轴承最优控制中的应用

提出了一种电磁轴承模型预测最优控制方法.为了抑制陀螺效应引起的转子圆锥涡动,在传统二次型性能指标函数中引入同步误差项,基于离散状态方程有限步预估转子平动误差、同步误差以及控制器输出构造最优控制器优化目标函数.基于迭代黎卡提差分方程（Riccati Difference Equation）求解了最优控制器.用伪代数黎卡提方法（Fake Algebraic Riccati Technique）证明了所设计最优控制器的稳定性.通过数值仿真研究了控制器鲁棒性能与设计参数间的关系.针对某扁平型磁悬浮飞轮的仿真和实验结果均表明引入同步误差的最优控制器能有效的抑制圆锥涡动.     

随机波浪作用下圆沉箱防波堤的动力分析模型

首次将随机波浪荷载应用于圆沉箱防波堤的动力分析, 并将其动力运动过程分为摇摆和摇摆-滑移运动两种运动模态. 引入了控制侧向滑移的阻滑板-阻尼器系统, 提出了一种新的摇摆-滑移动力分析模型, 建立了相应的运动方程. 根据圆沉箱结构的特点提出了附加质量等动力参数的计算公式以及新的地基刚度系数转换关系. 利用Fortran语言环境编写程序, 按此动力模型和方法对工程实例进行计算, 计算结果表明了本模型和方法对随机波浪荷载作用下圆沉箱防波堤动力响应的数值求解的可行性和有效性.     

液体火箭增压输送系统多学科动力学研究

通过多学科动力学建模方法研究,首先建立了平台供气系统机械、气动与控制动力学特征模型,并对不同工况下系统动态性能进行数值仿真,着重研究调压压力、系统阻尼、充压方式、管路特性等对系统动态稳定性的影响,为系统动态稳定性分析及稳定性改进提高提供指导;最后结合某型号飞行过程中增压系统故障问题,建立了冷氦增压系统机械、气动、电磁、热与控制多学科动力学仿真分析模型,通过系统流量及压降分析进行故障定位,进一步探讨多学科动力学仿真在增压输送系统中的应用.     

同时发生的颗粒凝并和沉积现象的Monte Carlo模拟

同时发生的颗粒凝并和沉积所导致的离散系统动力学演变过程数学上可由通用动力学方程描述. Monte Carlo算法是求解通用动力学方程的一类重要方法. 然而, 常体积法由于模拟颗粒数目的波动而存在着计算代价和计算精度无法协调的矛盾, 常数目法由于计算区域的不断收缩或扩展而难以工程实际应用和科学定量分析, 且这些Monte Carlo算法均依赖于子系统概念而大大限制了其扩展性和应用范围. 发展一种多重Monte Carlo算法求解同时考虑凝并和沉积的通用动力学方程. 该算法引入加权虚拟颗粒的概念, 基于时间驱动, 在颗粒尺度分布时间演变过程中同步保持恒定的虚拟颗粒数目和稳定的计算区域体积, 这使得MMC算法具有考虑边界条件、颗粒尺度分布空间扩散、甚至颗粒-流体动力学的可扩展性. 利用多重Monte Carlo算法对几种特殊工况进行数值模拟, 结果与理论分析解符合很好, 表明该算法具备较高且稳定的计算精度和较低的计算代价, 这是由于虚拟颗粒数目稳定且较少的缘故. 最后分析了该算法的误差源以及相对误差.     

偏离设计工况时离心泵内部流场的数值模拟

通过高效数值模拟的方法分析通流部分的气动性能,对叶轮进行优化改进,扩容改造,从而提高效率,可靠性,安全性.主要采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-s湍流模型,SIM-PLEC方法求解,对原模型泵进行非设计工况下内部流场的叶轮和蜗壳的耦合数值模拟,主要是变转速和变流量调节.得出变转速调节下全流场的速度和压力分布均与原模型相似,但转速过低时则出现明显不同;变流量模拟时,无论是大流量还是小流量,在叶轮流道和蜗壳区均出现了较为严重的回流和漩涡区,并对这一现象进行了分析.最后对原模型蜗壳提出了一些改造意见,指出了偏心蜗壳在蜗舌处的回流情况较对称蜗壳好一些.     

一种改进的前飞时倾转旋翼机非定常气弹动力学模型

倾转旋翼机前飞时,旋翼会处于复杂的非定常气动力环境中,但现有的倾转旋翼机前飞气弹稳定性分析模型主要采用准定常片条理论对旋翼的空气动力载荷进行气弹动力学建模,气弹稳定性分析结果与实验值存在明显误差.本文采用ONERA非定常气动力模型进行旋翼气动力建模,并考虑翼型压缩性和失速的影响,建立了倾转旋翼机前飞时的非定常气弹动力学模型.根据NASA试验模型参数,本文计算了系统各模态频率和阻尼比随前飞速度的变化,计算结果相对于现有理论模型更接近试验数据,表明本文建立的非定常气弹动力学模型可以比现有模型更准确地描述倾转旋翼机的前飞气弹稳定性.     

六点支承航空发动机双转子系统动力学离散模型

针对六点支承形式的航空发动机双转子系统,建立了复杂离散动力学模型,对该模型进行结构降维,得到了两种简化动力学模型.首先采用有限元法建立了较为精确的多轮盘复杂离散动力学模型,然后基于质心集中方法对该模型进行了简化,分别得到了四轮盘双转子简化动力学模型和三轮盘双转子简化动力学模型,并将其与复杂离散动力学模型进行了临界转速的对比.结果表明,简化得到的四轮盘双转子简化模型,前三阶相应临界转速误差分别在5%,22%,10%之内,可以很好地保有原系统的动力学特性;简化得到的三轮盘双转子简化模型,在柔性支承下,前三阶相应临界转速误差在15%之内,可以较好地保有原系统的动力学特性.最后,给出了3种模型不平衡响应的对比分析图.这是一种从结构上将实际多轮盘双转子简化成少轮盘双转子的方法,降低了双转子系统的自由度,有利于在考虑到故障、支承非线性等因素后的理论计算分析.     

空化螺旋桨非定常粘性流场特征分析

基于粘性多相流理论,在均匀入流条件下,利用混合网格和滑动网格数值求解非定常纳维-斯托克斯（N-S）方程和空泡动力学方程来预报螺旋桨尾流场压力、速度和蒸汽体积分数.螺旋桨片空化、毂涡空化、尾流场梢涡空化和压力等的数值计算结果与相关实验一致.预报的尾流场压力信号叶频和轴频等特征与螺旋桨模型及设定参数一致.叶频信号的衰减速度随着进速系数和空化数的减小而增加.梢涡空化对近尾流场压力波动具有重要作用.     

阶梯轴-柔性盘耦合系统振动特性分析

传统的地面旋转机械轮盘类结构刚度较大,在转子动力学分析中多将其假定为集中质量点,而在航空发动机中为了满足减重的需要,轮盘较为轻薄,其柔性不可忽略.目前针对转轴和柔性盘耦合系统振动特性的研究还较少,为了弥补这一研究的不足,本文结合假设模态法和有限单元法,采用有限元-半解析混合建模法,建立了阶梯轴-柔性盘的动力学模型,其中阶梯轴采用铁木辛柯梁模拟,柔性盘则使用半解析方法建模,基于Lagrange方程和Galerkin方法,推导出系统的运动微分方程;然后分析了在静止和旋转状态下阶梯轴-柔性盘耦合系统的固有特性,并采用ANSYS软件仿真和模型实验验证了所开发模型的有效性;最后分别在刚性盘和柔性盘假设下,求解对比了系统的幅频响应,揭示柔性盘对系统高阶振动的影响规律.     

基于不同啮合刚度计算模型的直齿圆柱齿轮传动系统动力学特性研究

针对直齿圆柱齿轮传动系统,建立了3种齿轮传动系统动力学仿真计算模型,即:基于"切片式"齿轮啮合刚度解析计算方法的齿轮传动系统动力学模型、基于SIMPACK 225号力元建立的齿轮传动系统动力学模型和基于有限元方法建立的齿轮传动系统动力学模型,对比分析了3种模型在高速和低速工况下计算获得的啮合力和动态传递误差.研究结果显示:高、低速工况下,3种模型的计算结果吻合良好.基于"切片式"齿轮啮合刚度解析计算方法的齿轮传动系统动力学模型计算获得的动态传递误差与基于有限元法的动力学模型计算结果更加接近.因此,综合考虑计算精度和计算效率,基于"切片式"齿轮时变啮合刚度解析计算方法可更好地应用于齿轮传动系统动态特性分析.     

沉箱式防波堤振动-滑移-提离摇摆耦合运动模型及动力设计方法

振动、滑移和提离摇摆是动力荷载作用下沉箱式防波堤的3种基本运动形式, 建立了沉箱式防波堤振动-滑移-提离摇摆耦合运动的动力模型和数值模拟方法, 对近破波冲击作用下沉箱式防波堤的运动过程进行了数值模拟, 计算了振动模型、振动-滑移运动模型、振动-提离摇摆运动模型和振动-滑移-提离摇摆耦合运动模型下沉箱的位移、转角、滑移力和倾覆力矩的响应时程, 研究了沉箱运动模型对防波堤运动特性和稳定性的影响, 分析了近破波冲击作用下允许沉箱式防波堤出现滑移和提离摇摆运动的动力设计概念的可行性.     

超声速气流中喷射角度对射流混合特性的影响研究

本文采用AUSMPW格式,求解全NS方程加SST双方程湍流模型,研究了超音速气流中横向喷射的流场.数值模拟给出了流场中由于射流喷射引起的附面层分离、马赫盘等现象,计算结果的壁面压力分布和试验结果吻合较好.在此基础上重点分析了喷射压力和喷射角度对燃料混合特性的影响.     

基于CVODE求解器的饱和-非饱和土壤水分运动数值模型

为研究地表滴灌条件下的土壤水分分布特征和运动规律,构建了基于二维Richards方程的土壤水分运动数值模型TIVS（TsinghuaIntegratedVariablySaturatedsoilwatermovementmodel）．将Richards方程空间半离散后利用CVODE常微分方程求解器进行求解,改进了地表滴灌积水动边界的处理方法,提高了数值求解稳定性和计算效率,模拟结果能保持良好的水量平衡．数值模拟检验和试验验证结果表明,模型具有较高的模拟精度,可用于地表滴灌复杂边界条件下的土壤水分运动长期模拟．     

构造电力系统暂态能量函数新方法研究

通过归一化发电机转子运动方程, 将故障后电力系统的动态过程比拟为质量为1.0在n维Euclid角度空间中运动的质点, 并提出了旋转一维坐标的概念. 通过投影变换将复杂的多机系统摇摆过程转化为一维坐标上的简单运动来研究, 并在此基础上提出了构造新暂态能量函数的方法. 证明了该能量函数沿故障后轨迹的守恒性, 并发展了电力系统的稳定性判据. 10发电机新英格兰典型电力系统上的分析结果验证了新能量函数理论的正确性.     

混凝土坝裂缝转异监控模型研究

融汇裂缝安全监控理论及其转异诊断方法建立了混凝土坝裂缝转异监控模型,重点研究了裂缝长度对裂缝口张开位移的影响。基于虚拟裂缝模型的基本假定,对混凝土坝裂缝的扩展过程进行了线性假设;通过动力学结构突变和统计学模型突变的检验方法获取混凝土坝裂缝的转异点;把对转异监控模型的求解转化为极值优化问题,并利用粒子群优化算法进行解答,据此完成了对混凝土坝裂缝转异监控模型的建立及求解.文末以某混凝土重力坝105m高程的典型裂缝为例对所提出的转异监控模型进行了验证。     

基于FLOWMASTER软件的引气系统仿真分析

为准确模拟飞机导管引气系统在各工况下的运行状态,在研究飞机引气系统结构及流体网络算法原理的基础上,基于一维流体仿真技术建立了引气系统计算模型,根据实际工况对系统进行了稳态和瞬态分析。重点考察了系统中各主要元件的运行情况及节点的压力、温度等关键参数的变化规律。仿真结果表明,系统及各主要元件均满足设计与控制要求,可为我国民用客机导管系统的优化设计提供一定的理论参考。     

双绕组多相高速整流异步发电机系统的分析

在分析和定量计算双绕组多相高速整流异步发电机电流谐波和磁势谐波关系的基础上，提出了把发电机系统分成两个子系统分别进行分析计算的新思路．对十二相功率绕组与整流负载系统采用电路分析方法，用基于电路拓扑理论的回路电流法列写网络方程，求解过程中定步长和变步长联合使用，解决了计算结果的稳定性问题，得出了功率绕组电压、电流及其基波分量．对定子双绕组与实心鼠笼转子系统采用电磁场分析方法，电磁场有限元和多变量优化法迭代相结合求出了控制绕组电流和定子频率．计算结果和实验结果吻合，说明了所提方法的有效性和准确性．