超声挤压膜动特性系数及影响因素研究

应用流体动力润滑理论建立了圆盘挤压膜的动特性系数模型,并应用非线性数值计算方法对模型进行了求解,给出了一些特定参数下的挤压气膜动特性系数。分析了稳态膜厚、激励振幅以及激励频率对动特性系数的影响,发现激励参数对挤压气膜动特性影响显著。最后对超声挤压膜的静态刚度系数进行了测量,并和理论分析数值进行了比较,发现两者在数量级上一致。     

近场超声悬浮承载能力及影响因素的理论及实验研究

应用流体动力润滑理论分别建立固定悬浮体以及自由悬浮体的超声气体挤压膜气膜压力模型,并对模型进行数值求解,获得超声频振荡气体挤压膜的压力分布及承载能力,在此基础上利用Christensen平均模型讨论了表面粗糙度对承载能力的影响。结果表明：气体挤压膜具有较大的承载能力,且承载能力大小主要取决于挤压运动的振幅和频率,其中,振幅对气体挤压膜承载力影响最为显著,而频率影响次之。低频范围内,频率对承载力的影响较大,而随着频率的升高其影响逐渐趋于平稳。构造适当的表面纹理可以在一定程度上提高气体挤压膜的承载力。研究结果可以为超声悬浮器件或涉及挤压膜问题的微纳器件设计提供参考。     

柔性铰链近场超声悬浮滑块动特性系数研究

应用可压缩气体动力润滑理论建立了柔性铰链超声挤压膜滑块的动、静特性系数模型,并应用数值方法对模型进行求解,获得了高频激励条件下柔性铰链气体挤压膜滑块的动、静特性系数。讨论了悬浮高度、激励振幅以及激励频率对动特性系数的影响。根据分析发现,这些参数都对挤压膜特性有着显著的影响。悬浮高度越高,挤压膜刚度和阻尼越小。激励振幅越大,挤压膜刚度和阻尼越大。而频率的影响几乎呈线性关系,频率越高,刚度和阻尼越大,挤压膜刚度和阻尼都随着频率的增加而增加,最后对这种结论进行了解释。     

挤压膜悬浮导轨的悬浮特性研究

运用数值解法对自由悬浮体挤压膜悬浮导轨进行理论分析,其数值结果适用于各种大小的挤压数和激振振幅,与实验结果更加贴近。研究2种激振模式即刚体模态激振和弯曲波激振下的自由悬浮块数学模型,运用数值方法计算气膜特性,得到2种激励下的气膜特性。结果表明:采用弯曲波激振模式能得到更好的承载力和气膜稳定性;对于弯曲波激振模型,由于波传递的影响,悬浮体可能发生偏转或不稳定,可依靠提高频率和减小波幅值来提高悬浮精度,采用轴对称模型,或用2个波长以上的波支撑悬浮体来克服悬浮体的偏转。     

挤压膜轴承静态承载特性研究

为研究超声悬浮轴承的静态承载特性,设计了一种径向包容式超声悬浮气体挤压膜轴承。在分析挤压气膜润滑悬浮机理的基础上,利用曲线拟合方法求解挤压气膜模型曲线和厚度方程,根据黏性气体动力学理论建立了描述挤压气膜压力分布的Reynolds方程。采用有限差分法对挤压气膜的压力方程进行离散与差商替换,利用MATLAB自定义函数的功能对离散后的挤压膜方程进行数值计算,对气体挤压膜轴承的悬浮力进行了仿真并通过试验验证了理论分析的正确性。     

考虑激振模态的挤压膜悬浮导轨特性分析

挤压膜的膜厚数量级是微米级,当选用较薄的盘激振挤压膜时,激振盘振幅也可能达到或超过微米级,振型对膜厚的影响不能忽略。通过对激振盘振型的最小二乘拟合,得到激振盘的振动方程,从而得到在某频段强迫振动下膜厚方程的表达式。将激振振型与平均膜厚叠加,得到气膜的膜厚方程,然后通过数值方法来求解非线性雷诺方程,进而得出激振振型对气膜压力分布的影响。计算结果表明激振振型和膜厚数量级相同时,振型对压力分布有很大的影响,通过对此模型的分析,可确定激振盘的材料、几何尺寸和促动器的激振频率。     

气体挤压膜轴承的性能分析及其控制器的研究

为了有效克服传统气体轴承的缺点,基于超声激励的气体挤压膜机理,研制了一种新型的气体挤压膜轴承。为了获得关键结构尺寸及相关的控制参数,采用有限元法对压电换能器进行了模态分析和谐响应分析;应用数值解法从理论上证明了轴承的悬浮能力;通过压电换能器的模态实验,确定了其工作频率;同时采用有限元法对所设计的轴承产生的超声波声压进行了分析。在此基础上,设计制作了基于STC单片机的数字控制器硬件电路,编写了不完全微分PID控制程序并在实验台上进行了验证。研究结果表明,该类轴承在超声激励下能够实现悬浮支承。     

压电驱动的超声悬浮精密轴承静动态承载特性

为研究超声悬浮轴承的静、动态承载特性,设计了一种压电陶瓷驱动的全包围结构超声悬浮轴承。分析了气体挤压膜润滑承载机理,在等温隔热条件下,根据牛顿流体的气体动力学理论,建立了描述轴承启动阶段及支撑回转体稳定旋转阶段气膜压力的静、动态雷诺方程。采用有限差分法并利用MATLAB自定义函数的功能,对超声悬浮轴承的静态及动态承载力进行了数值计算。为验证理论计算的正确性,通过轴承样机自悬浮实验验证轴承悬浮特性的理论计算结果,得出在其谐振频率下,相同结构尺寸及悬浮参数的轴承静态承载力理论计算值与测量值之间的误差为8.33%;在挤压数为100,2～5μm合理初始间隙下,动态悬浮力理论计算值与实验测量值相吻合。考虑样机结构特性引起的能量转换误差及实验环境因素影响,误差在合理允许范围之内,验证了理论分析及计算的正确性,对超声悬浮轴承的理论研究及设计具有一定的指导意义。     

基于超声近场作用的悬浮特性分析与试验

超声近场的悬浮现象和动力学机理,提出圆形振子薄板与悬浮物之间的耦合数学模型,给定圆盘在特定弯振模态下的边界条件,推导了基于挤压膜模型的悬浮压力近似解析式.同时为了试验研究超声近场的悬浮特性,在兰杰文振子顶端设计了利于产生超声辐射近场效应的圆盘式装置并试制了样机,通过激励出圆盘的弯曲振动模态诱发出声场辐射力,实现了物体在圆盘表面的近距离悬浮.搭建了基于虚拟仪器平台的测试系统,通过试验获得其悬浮特性参数,分析了悬浮的距离随着重物质量的增大而减少的规律,验证了理论分析结果,为采用近声场来悬浮和实现悬浮力的有效控制奠定了基础.     

气体挤压膜承载能力的实验研究

设计实验对气体挤压膜的承载能力进行验证与分析,包括激振装置的设计以及对气体挤压膜产生的承载力和悬浮物体高度的测量.通过电阻应变测量方法设计了一种传感器对气膜承载力进行测量,气膜悬浮物体的高度则通过高精度位移传感器进行测量.实验结果表明气体挤压膜具有较大的承载能力,承载能力取决于激振振幅、悬浮盘表面积等.调节激振频率使得压电陶瓷处于谐振状态,并且尽可能的增大激励电压可以提升激振盘的振幅从而最大化气体挤压膜的承载能力.     

基于近声场的超声悬浮试验

针对非接触式悬浮传输装置的良好应用前景,设计可应用于此种场合的基于近场声的超声作动器.对该作动器的核心驱动部件——压电换能器进行了结构设计并加工制造出了换能器样机.利用PVS-300F型多谱勒激光测振仪对换能器样机进行模态试验,获得了相关的动态特性参数.利用该作动器进行悬浮能力试验,发现随着激励电压的增大,悬浮高度呈现非线性增加.作动器最大单位面积悬浮重量为12.53 g/cm2.将试验结果与声辐射压力的理论计算比较,发现两者具有相似的变化趋势.     

基于近场超声悬浮的耦合频率特性分析

以近声场模型为基础,提出圆形振子薄板与圆形悬浮物之间的挤压膜耦合数学方程组;利用奇异摄动理论中的渐近展开匹配法对归一化的气体运动方程进行求解,求出挤压膜压力分布的解析式,导出振子在挤压膜影响下的微分控制方程;针对模型的圆形结构,使用非常规板元（TRUNC）的改进列式对薄板控制方程进行数值求解,得出定子在弯曲振动模态下的压力振型和位移振型;分析了挤压膜厚度变化时的频率特性。分析表明,振子的驱动频率随着重物重量的增大而升高,而随着驱动频率阶数的增大,这种影响又逐渐减小。研究结果可为今后的理论推导及实验研究提供指导。     

圆柱腔小孔节流空气静压轴承动力学性能研究

为研究轴承参数对气膜刚度、阻尼特性的影响,以圆柱腔小孔节流空气静压支承轴承为例,基于动网格方法,采用数值仿真计算分析轴承气膜在外激励下的动载荷响应特性,计算气膜承载力、刚度和阻尼;考虑气膜厚、气腔尺寸、小孔孔径、供气压与激励特性,基于正交试验设计构造正交表,进行采样计算,采用径向基神经网络模型拟合得到承载力、刚度和阻尼与轴承参数的相关性数学模型;基于得到的数学模型,分析气腔尺寸对轴承动力学性能的影响。研究表明:由于挤压膜效应,激励频率的增加可使气膜刚度增加、阻尼降低;当轴承间隙气容更小时,刚度随激励频率的增加更快。     

气体挤压膜边界影响分析

气体挤压膜轴承是一种新型的非接触式气体支承方式,该支承方式的支承性能主要由间隙内的气膜压力分布决定,而气膜压力的分布需要通过求解气体雷诺方程得到。边界条件对气体挤压膜的压力分布的求解有着显著影响,因此,确定一个与实际条件接近的边界条件非常必要。通过流体动力分析方法分析两种不同边界区域边界压力的变化,给出了新边界条件下间隙内的压力和速度分布,结果表明新边界条件作用时,间隙内气体与外界环境气体交换时压力与速度的变化是连续的。     

悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究

针对机械转子式陀螺仪对支承和高转速的特定要求，设计出一种兰杰文振子和压电圆盘复合驱动的定子，从而在定子振动输出面获得足够振幅的行波运动，实现对球转子的超声近场非接触支承和高速驱动。对圆盘定子进行了结构动力学设计，使其工作频率与兰杰文振子频率基本一致。样机模态实验表明复合定子频率一致性较好。通过悬浮高度和转速测试发现，转子悬浮稳定，转速与驱动频率有关，在200 V激励电压下的共振频率附近可获得最大转速3 880  r/min。     

超声电机减摩现象的仿真研究

基于商用有限元软件自动增量式非线性动力学分析（automatic dynamic incremental nonlinear analysis,简称ADINA）,对超声电机的减摩现象进行仿真研究,提出等效摩擦因数的概念。分别在驻波激励和行波激励下研究了超声电机启动响应过程的瞬时等效摩擦因数。通过仿真计算,得到了不同预压力、激励频率和电压情况下的稳态等效摩擦因数。当预压力较小时,驻波激励下的减摩效应强于行波激励;当预压力较大时,超声振动受到抑制,此时2种激励方式的减摩效应近乎一致。研究发现：激励频率越接近谐振频率,预压力越小、驱动电压越大,减摩效果就越显著;其中,激励频率和预压力的影响要大一些。本研究为超声电机减摩现象的研究与应用提供有益的帮助。     

小孔节流静压止推气体轴承静特性的数值分析

介绍了计算流体力学软件 FLUENT 及其在气体轴承研究中的应用.针对环形小孔节流静压止推气体轴承,基于 FLUENT 软件进行了简化假设并建立了计算模型,利用 FLUENT 软件对止推气体轴承模型进行了数值分析,求解了环形小孔节流静压止推气体轴承的压力场分布、耗气量和承载能力等轴承静特性,并成功捕捉到了大气膜间隙下供气孔周围的压力突降区.对计算结果进行了分析,并与文献计算值以及试验值进行了对比,验证了数值分析的可靠性.     

复杂载荷作用下压气机叶片疲劳寿命数值分析

为提高叶片服役寿命,在计算叶片应力分布并预测其在复杂载荷作用下的疲劳寿命后,基于逆向工程建立了三种不同精度的叶片模型;考虑离心和气动载荷作用,求解压气机叶片复合载荷作用下的应力分布规律;通过叶片模拟件疲劳试验,确定TC4钛合金疲劳极限,拟合寿命模型参数;利用非线性连续损伤力学模型预测叶片在典型工况下的疲劳寿命。结果表明：不同模型的应力及寿命计算值存在一定差异,开展叶片数值分析时,需考虑计算模型还原叶片几何特征的精度对计算结果的影响。     

谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法*

基于伪一维瞬态可压缩Navier-Stokes方程和理想气体状态方程,并结合保持强稳定性的三阶Runge-Kutta格式和斜率限制器技术,构建一种整体轴向谐振激励下求解变截面谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法。分别对直圆柱形、指数形以及圆锥形谐振管内的非线性驻波进行数值仿真计算,通过与现有数值仿真结果对比,验证了本方法的正确性,并重现了已有试验中非线性驻波压力波形中的第二峰值。在直圆柱形和指数形谐振管内研究间断Galerkin方法的两种网格加密方式对于不同形状下谐振管内非线性驻波仿真计算的数值精度、消除数值振荡和准确捕捉激波的不同作用,以及不同CFL数对于数值精度的影响。在指数形谐振管内,通过与有限体积法不同网格数目下的数值仿真结果和计算时间对比,验证了本方法具有耗时短、效率高以及计算精度高的优点。在圆锥形谐振管内,研究不同流速下谐振管内压力和速度波形的变化,并发现随着流速的增加,谐振管小端处的压力幅值增加,大端处速度幅值也随之增加且速度波形中会产生激波。通过间断Galerkin方法分析研究几种谐振管内非线性驻波的各种物理属性,为谐振管形状优化提供了重要参考,也为实现谐振管内非线性驻波的工程应用奠定了良好的基础。     

分离式波箔动压气体推力轴承压力场特性研究

分离式波箔气体轴承是新一代柔性气体轴承,其承载能力的准确预测是该类轴承性能预测和设计准则确定的基础,箔片的变形和气膜压力的求解是承载能力预测的关键。分别采用线性刚度模型和薄板弯曲模型对分离波箔片和平箔片变形进行建模。应用非线性数值求解方法对可压缩气体Reynolds方程和变形方程进行气弹耦合数值求解,获得了轴承的压力分布。结果表明分离式波箔片可以提高轴承的承载能力,而平箔片的变形会导致承载能力的降低。通过比较发现计算结果和实验数据具有较好的一致性。