基于粒子群算法和投影追踪分析的干气密封动态特性优化

干气密封是轴类密封中重要的密封方式之一,尤其适用于对于密封可靠性要求较高的装置中。由于密封气膜与密封环的位置设计关系,浮动环的振动关系着密封气膜刚度值的变化,因此浮动环系统的动态特性影响着干气密封的可靠性。作者提出了一种基于粒子群优化（particle swarm optimization）与投影追踪分析（projection pursuit）相结合的动态特性优化方法;依据工况条件,建立浮动环系统预应力模态分析模型,对实验测试结果进行频谱分析验证模态分析的准确性;实验结果与分析结果证明,为提高干气密封可靠性,需对浮动环系统进行动态特性优化,选取浮动环系统中的轴向设计参数为优化参数,将响应面方法（response surface methodology）与Box-Behnken试验设计相结合分别获得优化目标和约束条件关于优化参数的完整2次多项式响应面模型,实现隐性关系显性化,采用粒子群优化算法以浮动环系统固有频率为优化目标函数,系统静变形为约束进行快速优化,在系统静变形量小于要求值的条件下,使得系统固有频率值增大到142 Hz,与原始固有频率值相比提高了20%,并获得了优化参数与固有频率的正反比关系,最后,通过投影追踪分析得到优化参数对系统固有频率的影响程度;基于粒子群优化算法与投影追踪分析相结合的优化方法将浮动环系统固有频率提高到高于所给工况最高转速8 000 r/min（133 Hz）并理论性获得结构参数对于系统动态特性的影响程度。     

螺旋槽型干气密封系统轴向振动影响因素研究

针对干气密封中气膜厚度稳定性的要求以及多级调控操作条件易导致失效的问题,进行了基于Workbench的螺旋槽型干气密封系统的动力学特性分析研究。建立了一种浮动环（静环）的轴向振动模型并推导其轴向振动幅值表达式;运用Workbench对浮动环系统进行工况条件下的预应力模态分析和谐响应分析,将模拟仿真与理论推导结果作对比,分析总结得出同一参数不同数值条件下浮动环轴向振动幅值的变化趋势,以及影响浮动环轴向振动幅值的主要因素和次要因素。该方法不仅能够灵活地获得不同条件下浮动环的振幅值,并且从激振频率与固有频率的关系方面解释了振动趋势形成的原因。     

基于流固热耦合的油气两相动压密封追随动态特性

为提升油气两相动压密封的运转稳定性和抗干扰能力,研究其密封补偿环的响应运动,揭示油气两相动压密封的追随动态特性, 考虑温度、变形对密封环和流体膜的综合作用,采用MATLAB软件建立密封环与流体膜的流固热耦合有限元分析模型. 计算流体膜的动态刚度和阻尼系数,求解油气两相动压密封的受迫振动模型,分析补偿环的响应运动. 讨论转速、压差、油气比、弹簧刚度和O形圈阻尼对密封补偿环响应运动角向振幅和轴向振幅的影响,分析密封的追随动态特性. 结果表明:提高转速和油气比有利于提高密封的追随动态特性;压差、弹簧刚度和O形圈阻尼的增大不利于密封补偿环的追随响应运动,其中弹簧刚度和O形圈阻尼增大前期,补偿环响应振幅变化不敏感,增大后期,补偿环响应振幅急剧降低. 研究结果为油气两相动压密封的补偿机构优化和动态性能研究提供理论支撑,并得到基于流固热耦合的油气两相动压密封追随动态特性求解方法.     

大跨预应力混凝土楼盖的双向加速度分布规律及舒适度分析研究

大跨预应力混凝土楼盖刚度低、阻尼小、最小频率接近人走动和跳跃的频率,在人行激励下,很容易不可避免地发生共振,使人产生不舒适感.本文在总结分析楼盖竖向峰值加速度、各控制点的加速度时程曲线在楼面内双向分布的基础上,建立了大跨预应力混凝土楼盖整体结构的有限元分析模型,对选定的楼盖方案在三种人行激励工况下的动力响应进行了分析.同时,通过楼盖内加速度分布曲线,对该方案楼盖的舒适度进行了评估.计算结果表明,加速度基本上是关于楼盖的形心轴对称变化,呈抛物线分布;楼盖的初始状态对楼盖振动的峰值加速度有很大影响,可能导致振动初始阶段楼盖峰值加速度加大,为大跨预应力混凝土楼盖结构舒适度的深入研究及减振隔振设计提供了参考.     

多孔质气悬浮气膜压力特性建模及试验研究

为了研究多孔质气悬浮气膜压力特性以便对玻璃基板的非接触式搬运系统进行性能分析和优化设计,以具有代表性的区域单元为对象,建立包含多孔质特性和间隙流特性的气膜压力动态模型,利用有限体积法(FVM)进行求解.当多孔质表面空气薄膜受到工件的往复振动挤压时,压力响应相对间隙距离呈现明显的滞环现象,表现出弹性特性和阻尼特性.仿真和试验的结果表明,基于动态模型的计算结果与实验值吻合较好.气膜压力刚度系数随着间隙距离的减小而迅速增大,并受到供给流量与区域半径的影响.气膜压力阻尼系数受供给流量的影响甚小,受区域半径的影响显著,表明适当增加导轨宽度可以有效地加快工件自由振荡衰减速度.     

变质量弹性梁结构动力学特性

以变质量弹性梁结构为力学模型,利用模态叠加法推导系统的运动方程,分析质量变化引起的非结构阻尼对系统振动的影响,使用自适应Newmark法求解系统的振动响应。设计变质量-弹性梁结构动力学测试试验,通过控制液体的流入流出实现系统质量的变化。采用时频分析技术处理时变系统的非平稳响应信号,在时频域上更全面得到了系统的振动特性。数值仿真和试验结果一致,说明建模以及试验设计的有效性。研究表明:系统质量减小会引起一个非结构负阻尼,对系统的振动影响非常显著,在机械臂等高精度结构设计时,不能忽略该非结构阻尼对系统振动特性的影响。     

流体静压式核电站主泵二级密封由接触式到非接触式转变的密封性能分析

根据机械动力学原理,建立静环轴向振动方程和端面液膜压力微分方程,并求出液膜压力的解析表达式和静环轴向位移表达式。在假设不受系统外力干扰的条件下,分析静环端面结构参数(转折半径和端面锥角)在轴向微小扰动的情况下对液膜刚度、液膜阻尼和静环轴向振动特性的影响。结果表明：随着转折半径的增大,液膜刚度变小,液膜阻尼增大,振动阻尼从弱阻尼向过阻尼状态转变;随着端面锥角的增大,液膜刚度减小,液膜阻尼减小,振动阻尼从过阻尼向弱阻尼状态转变。     

无粘结预应力筋与简支梁耦合振动的特性

为了研究无粘结预应力梁振动特性,基于预应力筋和梁的分离式模型及其耦合振动特性,建立了预应力筋随梁耦合振动的张拉力变化时程方程和耦合振动特征方程。通过6根无粘结预应力钢筋混凝土梁电磁激振器扫频试验,测试了不同预应力条件下梁的基频。理论和试验的研究结果表明无粘结预应力对等值杆梁结构自振频率没有直接影响,但其布筋形态和预应力筋抗拉刚度影响梁自振特征值。     

封闭式屋盖结构风致响应理论与试验

为了研究封闭式屋盖结构的风致响应特性,用理论方法与风洞试验进行定性与定量分析.在传统模态分析法的基础上考虑结构内压与屋盖的耦合作用,推出了模态空间不独立的频响函数矩阵来描述屋盖的风致响应特性,通过算例分析了内压对封闭式屋盖风致响应的影响机理,并对钢网架平屋盖位移响应和加速度响应在内压影响下的变化进行了参数分析.采用预应力张拉结构体系设计制作了可调刚度屋盖结构的气动弹性模型,在风洞试验中进行屋盖加速度响应的测定,试验结果与理论分析结果较为吻合.研究结果表明,考虑内压后封闭式屋盖结构的风致响应会有所减小,而墙面孔隙率与气承刚度系数是影响封闭式屋盖风致响应的重要因素.     

甲板刚度和垂向位置对环肋圆柱壳声辐射性能的影响

通过对具有内部浮动甲板(浮筏)的环肋圆柱壳结构在流体中的振动、声辐射特性的研究,就能够比较真实的揭示潜艇动力舱的振动和声辐射特点.本文采用四自由度弹簧技术来模拟圆柱壳体和浮动甲板之间的弹性连接,基于扩展的Rayleigh Ritz法,运用Hamilton变分原理导出壳体与甲板的耦合振动方程,并利用Helmholtz波动方程和流固交界面上的速度相容条件求得壳体表面辐射声压的表达式.进而讨论了在弹簧连接刚度一定时,浮动甲板刚度的变化以及其垂向位置的变化对圆柱壳的振动、声辐射特性的影响.结果表明,甲板刚度变化对壳体的振动和声辐射的影响比较复杂,与激励频率有关;甲板圆心角的增加会增大壳体的辐射声功率级.     

流体静压型机械密封轴向振动特性分析

摘要：根据机械动力学原理,建立静环轴向振动方程和端面液膜压力微分方程,并求出液膜压力的解析表达式和静环轴向位移表达式。在假设不受系统外力干扰的条件下,分析静环端面结构参数（转折半径和端面锥角）在轴向微小扰动的情况下对液膜刚度、液膜阻尼和静环轴向振动特性的影响。结果表明：随着转折半径的增大,液膜刚度变小,液膜阻尼增大,振动阻尼从弱阻尼向过阻尼状态转变;随着端面锥角的增大,液膜刚度减小,液膜阻尼减小,振动阻尼从过阻尼向弱阻尼状态转变。     

转子─轴承系统非线性失稳因素分析

对引起转子-轴承系统失稳的主要因素：非线性油膜力、转轴材料的内摩擦、动压密封力、蒸汽激振力进行了分析非线性油膜力对转子-轴承系统的稳定性影响最大,应重点分析和研究在非线性油膜力作用下转子-轴承系统的稳定性、响应及动力学行为．动态密封力、材料内阻尼、蒸汽激振力对转子-轴承系统的稳定性均有影响．因此在进行转子-轴承系统的稳定性研究及动力学设计时均应考虑这些非线性因素．     

干气密封环磨合过程摩擦振动信号混沌特性分析

磨合对防止干气密封环端面发生咬合、延长密封环使用寿命等具有一定影响,因而研究干气密封环在磨合过程中的变化特征,识别磨合状态有着重要意义.利用集合经验模态分解法(EEMD)提取端面间的摩擦振动信号,通过相空间重构,得到了摩擦振动信号的相轨迹和混沌参数.利用主分量分析法(PCA)和最大Lyapunov指数判别法,验证摩擦振...     

拓扑优化机载控制台的整机随机振动分析与试验

机载控制台是飞机电子设备的重要组成部分,随机振动是使其结构失效的主要因素。基于ANSYS Workbench软件平台对某机载控制台所处的实际工作环境进行随机振动模拟分析,分别获得了传统设计、拓扑优化设计下控制台整机方向的位移、等效应力云图;对拓扑优化控制台进行随机振动可靠性试验, 获得了某特征点的随机振动加速度响应曲线。模拟分析和实际可靠性测试结果表明:拓扑优化控制台结构刚度大、动态性能好,满足强度要求,结构设计合理、可靠;所建立的有限元分析模型是合理的,所获得的仿真结果是可信的。这为机载设备的设计提供理论参考。     

交通荷载作用下钢弹簧浮置板隔振道路设计参数研究

为降低城区道路汽车荷载对建筑结构的振动影响,设计一种新型钢弹簧浮置板隔振道路,对浮置板的动力学设计参数进行研究。在浮置板缩尺模型有限元试验验证的基础上,选取浮置板长度、厚度、弹簧刚度、弹簧支承间距4个参数及不同水平值,进行正交试验,建立81个样本的三维有限元模型。采用模态分析法,研究各参数对浮置板固有频率和振型的影响;实测交通荷载激励,分析激励作用下浮置板结构在时域和频域的响应,并通过Z振级和插入损失探讨浮置板结构各参数的减振效果。结果表明：各样本基频主要分布在4~10 Hz之间,基频直接影响钢弹簧浮置板的隔振性能;随着浮置板长度的减小、厚度的增大、弹簧刚度的减小、支承间距的增大,浮置板结构的隔振效果明显提高;交通荷载激励下,浮置板结构振动放大频段位于基频附近及14~18 Hz范围;VL_z振级在0~18 Hz范围内随频率增大而增大,之后随频率增大而降低,但未超过72 dB;对于0~40 Hz范围内的振动响应,样本最大减振量为40.6 dB,基频处放大量最大为17.4 dB。     

Finite Element Modeling and Vibration Analysis of Sprag Clutch-Flexible Rotor System

斜撑离合器-柔性转子系统有限元建模及振动特性分析

黄创^1,2,赵永强^1*,靳广虎^3*

（1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 150001;

2. 珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海 519070;

3. 南京航空航天大学 直升机传动技术重点实验室,南京 210016）

摘要：

为研究高速运行工况下斜撑离合器-柔性转子系统 (SC-FRS,sprag clutch-flexible rotor system) 的整体振动特性,基于推导的斜撑离合器刚度矩阵的计算方法,建立了考虑转子柔性及轴承支撑刚度的SC-FRS的有限元模型。以此模型为基础,计算了系统的固有频率和模态振型,通过与ANSYS软件计算结果的比较,验证了本文模型正确性。同时,在不平衡量作用下,分析了系统的弯扭耦合振动和中介轴承动载荷,研究发现扭转方向的共振峰与弯曲方向的共振峰有着相同的共振频率。搭建了斜撑离合器-转子系统试验台,进行了轴心轨迹和临界转速的测试,试验结果表明使用SC-FRS的有限元模型能够较准确地描述系统的振动特性。

关键词：斜撑离合器转子系统;有限元模型;不平衡量;实验验证