斯特林机帽式密封性能分析及回归参数优化设计

为改善斯特林机活塞杆帽式密封性能,首先采用数值仿真分析了5 MPa工质压力下其静、动态力学特性,从而获取了O型圈内径尺寸LN、C型环径向壁厚T和装配过盈量S三个关键结构参数对密封性能的影响规律,在此基础上,再利用回归设计法以配伍面最大接触压力平稳且密封可靠为优化目标,对密封结构的上述三个关键参数进行优化设计以确定其最佳匹配方案,最后通过密封试验台验证了本文优化设计方法的准确性和普适性。结果表明：活塞杆与C型环密封面中间区域上最大接触压力随LN和S的增大而增大,但随T的增大而减小;通过估计回归系数和方差分析（ANOVA）发现,LN对密封性能影响最为显著、S次之、T影响最小;LN和T、LN和S交互项对响应显著,而T和S交互项对响应不显著;当LN为13.745 mm、T为0.40 mm和S为0.020 mm时,优化密封件对应的正行程最大接触压力为9.01 MPa、回程为9.75 MPa,较工程在用密封件（LN=13.78 mm、T=0.5 mm、S=0 mm）最大接触压力分别降低了14.7%和25.5%;实验进一步验证了优化密封件的密封性能和使用寿命均优于工程在用密封件,并且在不同工质压力下优化密封件的接触压力均匀性更好,减摩延寿效果明显,充分证明本文性能分析与优化设计方法准确有效。     

牙轮钻头滑动轴承的接触有限元优化设计

以牙爪大轴颈和小轴颈的鼓形度为设计变量，以接触有限元分析的峰值接触压力为目标函数，以牙爪轴颈的体积不超过给定值作为约束条件，用接触有限元方法建立了牙轮钻头滑动轴承的优化设计模型。利用ANSYS软件进行接触有限元优化设计，优化结果表明：最优方案的峰值接触压力相对理想模型(无鼓形度)降低了34．6％，并且接触压力分布合理。     

人工髋关节髋臼边缘动态接触半径的设计

当髋关节假体部件侧向移动足够大的距离接触到髋臼杯边缘时,带状磨损就会发生,为改善这种带状磨损导致的局部异常高接触应力现象,研究应用经典Hertzian接触理论对髋关节的边缘半径进行设计计算,分析不同髋臼倾角的法向载荷作用下接触尺寸和最大接触应力及合理的边缘半径等重要参数.计算结果表明：随着边缘半径的增加,髋臼倾角在2°~50°内,起初最大接触压力小幅降低,随后缓慢增加,最终趋于稳定,可取得极小接触压力;而在倾角50°以上情况下最大接触压力迅速增长,边缘半径需较大变化才能取得极小接触压力.随着倾角变化极小压力边缘半径先减小后趋于稳定后达到最小值,在45°之后急剧增大.在相同的条件下接触尺寸和最大接触压力将随着载荷的增加而增加.随着髋臼倾角的增加,接触尺寸将减小,而最大接触压力将增大.通过该数值计算方法有助于寻找到合适的边缘半径,从而能更好地降低髋臼杯边缘接触压力,改善其应力分布规律,减轻带状磨损现象,以延长人工髋关节使用寿命.

     

带金属O型环法兰的密封性能有限元分析

借助有限元分析软件ANSYS,综合考虑了法兰各部件间的接触作用、螺栓预紧作用以及O型环的材料非线性,对一使用金属O型环密封的非标准法兰进行密封性能分析.参考ASME规范,校核了法兰的密封性能.进一步的计算表明:在一定条件下,O型环和法兰密封面间的最大接触压力与内压之间存在线性相关性.进而结合操作密封比压与内压之间的关系,可以得到法兰的极限内压.对于使用金属O型环密封的法兰连接结构,该研究能为法兰的优化设计与密封性能预测提供参考.     

封隔器胶筒的分析与优化设计

为了解封隔器胶筒及金属构架的受力情况并进行优化设计,用Marc非线性分析软件对该结构进行了分析计算,通过改变结构主要尺寸了解尺寸对分析结果的影响,采用响应面方法进行拟合．以封隔器胶筒最大主应力及金属构架的最大Mises应力作为综合目标,以合理的尺寸范围作为约束条件,建立优化设计模型,然后用二次规划方法求出最优设计,从而得到优化的结构．优化的胶筒最大主应力只有初始值的32％,金属构架的最大Mises应力基本不变,密封性能基本没有变化．     

铝合金盘式节点静力性能的有限元参数分析

为研究几何参数对盘式节点承载力及刚度的影响,得到影响节点承载力及刚度的关键几何参数,以试验数据为基础,利用大型通用有限元分析软件ABAQUS,针对盘式节点的5个主要几何参数进行抗弯承载性能及初始刚度参数分析.分析结果表明:铝合金工字型杆件腹板高度增加,节点承载力及初始刚度近似成线性提高;腹板厚度增加,节点承载力有所提高,节点初始刚度有所降低,但变化幅度较小;翼缘厚度增加,节点承载力及初始刚度提高,且提高幅度较大;节点盘厚度增加,节点承载力有所提高,节点初始刚度有所降低,变化幅度先大后小;节点盘半径对节点静力性能影响不大.建议通过增大铝合金盘式节点工字型杆件腹板高度及翼缘厚度的方式,改善节点受力性能.     

非接触密封失稳振动分析与结构优化

为了提高非接触密封系统的密封稳定性,针对浮动环系统的振动特性,提出基于预应力模态分析和振动测试试验相融合的固有频率漂移优化设计方案.从气膜刚度方程与浮动环系统的振动方程出发,建立气膜刚度稳定性与浮动环系统振动的理论关系式.依据密封设计要求,建立浮动环系统模态分析模型;搭建浮动环系统的振动特性测试平台,多次测试多级离散化操作参数下浮动环系统的轴向振动加速度响应.试验数据显示,当转速为7 000 r/min时,加速度响应出现峰值,与浮动环系统预应力模态分析下的轴向共振模态频率具有较高的吻合度;基于分析及试验结果,对非接触密封浮动环系统提出提高弹簧刚度的优化方案,并进行验证.优化结果表明,浮动环系统的加速度响应峰值得以消除,避免了非接触密封失稳;相对于未优化前,加速度响应幅值有效降低了12%,密封性能更加稳定.     

燃机端面齿微动磨损分析及数值仿真

运用Archard磨损定律以及接触力学理论,研究了燃机端面齿楔形接触面在不同交变载荷力作用下接触面接触压力、接触宽度、间隙量、滑移量等接触特征参数随磨损过程的变化发展规律.结果表明,接触齿面的磨损是由于接触面间反复的相对滑动、磨损导致了接触面几何形貌以及接触压力的改变,这些因素又反过来影响磨损过程.各参数具有时间依赖性...     

空气源热泵热水机组压缩机密封结构设计

利用大变形、接触的非线性有限元理论建立了空气源热泵热水机组压缩机密封结构的二维轴对称模型,据此对影响密封性能的各结构参数进行了分析,讨论了上下法兰张开间隙、密封槽槽口倒角半径、密封槽深、密封槽宽等典型参数的影响。结果表明,上下法兰张开间隙对最大接触压应力和剪应力的影响较大,而密封槽槽口处倒角半径对剪切应力影响不大,密封槽深、密封沟槽宽度对密封面最大接触压力的影响较显著。     

封隔器防突结构的设计

为了防止胶筒和套管之间的接触压力下降,确保胶筒密封长期有效,研究了封隔器胶筒防突结构。该防突结构主要由高强度橡胶套、分瓣式防突、隔环、中心管和胶筒6个部件组成,并对其工作机理和结构特点进行了研究,该结构能够用于各种型号的封隔器,具有广泛的适用性。     

深海带电插拔连接器力学特性分析

以水下7 000 m工况的深海带电插拔连接器为研究对象,旨在获得湿插拔连接器在深海双重高压下的受力特性和插拔过程中的动密封性能。介绍连接器的插头结构与压力补偿技术;推导压力补偿器工作容积的计算公式;运用Ansys Workbench建立插头内壳体组件与插孔组件的动密封有限元模型,对内壳体、压力平衡膜及内胆进行强度计算;分析由连接器插拔引起的平衡膜内外瞬时压差对膜的应力分布及变形情况;讨论密封件径向压缩量、密封接触面摩擦因数、插拔速度对插拔过程中动密封性能的影响。结果表明:插头插合时,平衡膜外表面应力基本不变,其变形减小;拔出时,平衡膜外表面的应力及变形都逐渐增大。密封件之间的接触压力受密封接触面过盈配合量的影响明显,增大过盈配合量可显著提高动密封区域的接触压力及密封性能,同时也会加剧密封件失效的可能性,密封接触面的摩擦因数、插拔速度对接触压力的影响则较小。     

深海带电插拔连接器力学特性分析

以水下7 000 m工况的深海带电插拔连接器为研究对象,旨在获得湿插拔连接器在深海双重高压下的受力特性和插拔过程中的动密封性能。介绍连接器的插头结构与压力补偿技术;推导压力补偿器工作容积的计算公式;运用Ansys Workbench建立插头内壳体组件与插孔组件的动密封有限元模型,对内壳体、压力平衡膜及内胆进行强度计算;分析由连接器插拔引起的平衡膜内外瞬时压差对膜的应力分布及变形情况;讨论密封件径向压缩量、密封接触面摩擦因数、插拔速度对插拔过程中动密封性能的影响。结果表明:插头插合时,平衡膜外表面应力基本不变,其变形减小;拔出时,平衡膜外表面的应力及变形都逐渐增大。密封件之间的接触压力受密封接触面过盈配合量的影响明显,增大过盈配合量可显著提高动密封区域的接触压力及密封性能,同时也会加剧密封件失效的可能性,密封接触面的摩擦因数、插拔速度对接触压力的影响则较小。     

温度对套管接头螺纹接触压力的影响

在高温高压气井或注蒸汽的热采井中，变温引起的温度应力（即热应力）将对套管接头的接触压力产生一定的影响，高温差引起的套管接头的接触压力分布变得更加不均，当温差达到一定值时，套管接头内的等效应力将接近材料的屈服强度，使螺纹接触处进入塑性变形状态，从而影响了套管接头的密封性。利用弹塑性有限元的方法，建立标准API偏梯形套管接头的有限元模型，分析温度改变对套管接头接触压力的影响，以及套管接头内等效应力的变化情况，提供一种温度对套管接头螺纹接触压力的分析方法，从而为高温井套管接头的安全使用提供一定的参考数据。     

格莱圈密封性能非线性有限元分析

为了研究气缸密封件的性能以及失效情况,运用有限元分析方法对格莱圈弹性体进行分析.利用有限元分析软件建立了格莱圈有限元分析模型,通过建模、划分网格、加载、求解以及后处理等步骤,对其在不同压缩率、不同气压时密封面接触压力分布规律进行探讨分析,确定格莱圈易失效位置,分析压缩率和气压对格莱圈密封面最大接触压力的影响.结果表明:在位移云图和接触压力云图中,格莱圈密封面最大接触压力随压缩率和气压的增加而增加;格莱圈的方型圈与缸套的接触压力最大,且最大接触压力明显大于通入气体的压力,故格莱圈不易失效;气缸在实际气压0.4MPa和8%压缩率的情况下能正常工作,为评定缸阀一体化气缸的可靠性提供了参考.     

动力密封接触表面粗糙效应的有限元分析—表态接触有限元模拟

利用在硎圾限元软件MARC／MENTAT320研究了静态接触条件下表面粗糙效应对密封磨擦副接触性态的影响，揭示了若干表面粗糙形貌参数对涉及及磨损寿命和磨擦功耗等密封系统工作性能的这种接触性态的影响规律，为提高动力密封系统的工作品质提供了有意义的结果。     

深海高压舱密封性能评价研究

为了确保基于O形橡胶密封圈的深海高压舱实现可靠密封，避免因经验设计带来的密封失效，提出了通过计算O形橡胶密封圈密封工作时的最大接触应力来判断密封可靠性和安全裕度的评价方法.采用超弹性单元HYPER56建立了O形密封圈的有限元分析模型，计算了高压舱O形密封圈在承受内压时的应力分布.计算结果表明,当O形圈的预压缩量小于1 mm 时，增大O形圈的预压缩量，可以显著提高O形圈的最大接触应力；当O形圈的预压缩量大于1 mm 时，增大O形圈的预压缩量对提高O形圈的最大接触应力贡献不大；当O形圈的预压缩量大于0.6 mm时，O形圈的最大接触应力始终大于密封压力，高压舱能可靠实现60 MPa的密封.对上述结论进行了高压密封实验，实验结果表明，当O形圈的预压缩量为0.8 、1 和1.2 mm时，高压舱能可靠实现60 MPa的密封；通过计算当O形橡胶密封圈密封工作时的最大接触应力，可以对高压密封舱的密封性能做出正确判断.     

K344钢带式封隔器有限元仿真及结构优化

深井油气开采对应的高温、高压、高含硫等条件对井下封隔器的密封能力和使用寿命提出了更高的要求。K344钢带式封隔器通过内外胶筒之间的叠层钢带可以提高扩张胶筒的承压能力，改善其承压过程中的受力情况，增加使用寿命，适合深井油气开采的密封要求。应用有限元软件对其坐封过程进行了模拟，得出了关键部件（内胶筒、外胶筒和叠层钢带）的接触应力分布规律和叠层钢带防止胶筒“肩部突出”的机理，并通过仿真分析优选出两端叠层钢带之间的最优距离以及护箍圆角的最优半径，可为实际生产应用中钢带式封隔器的优化设计提供参考。     

基于最小吉布斯自由能的疏水表面接触角模型

在光滑表面Young氏方程和粗糙表面Cassie-Baxter模型的基础上,建立了二维情况下基于最小吉布斯自由能的接触角预测模型,并且对预测模型进行了修正,考虑斜壁对气-液接触线的影响。利用接触角预测模型及其修正研究微结构材料和尺寸参数对接触角大小的影响,从而指导疏水性微结构设计。研究结果表明,疏水性基底相对于亲水性基底加工出的微结构有更大的接触角提升趋势。增大微结构间隙宽度,减小凸台宽度,减小微结构斜壁角度,有利于接触角的提升。     

有压隧洞衬砌与围岩相互作用数值模拟分析

通过建立有限元计算模型,运用荷载分级、变刚度迭代非线性有限元法,系统研究了有压隧洞衬砌与围岩之间的相互作用．探讨了锚杆支护、衬砌与围岩之间接缝大小和接触角变化对衬砌、围岩承载能力的影响．根据建立的模型,对一隧洞工程进行了三维非线性有限元计算,获得了一些具有工程指导意义的结论．