變載荷工況下軸承表面局部滑移特性主動(dòng)調(diào)控方法研究

針對(duì)變載荷工況下高壓承載區(qū)變化引起混合滑移軸承系統(tǒng)潤(rùn)滑失效問題，提出一種通過動(dòng)態(tài)改變軸承表面滑移區(qū)，從而改善潤(rùn)滑的新方法：適應(yīng)外部載荷變化引起的軸承高壓承載區(qū)的改變，基于電潤(rùn)濕理論，通過滑移區(qū)分布的在線主動(dòng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)軸承系統(tǒng)整體潤(rùn)滑性能顯著提高。本研究首先基于水氣的穩(wěn)定疏水理論，分別利用化學(xué)水浴生長(zhǎng)法和粒子掩蔽刻蝕的方法制備了ZnO納米柱和Si納米柱兩種疏水結(jié)構(gòu)，通過對(duì)制備工藝的研究，實(shí)現(xiàn)了粗糙結(jié)構(gòu)柱徑和高度的可控制備。通過接觸角、滾動(dòng)角、彈跳性能對(duì)所制備的疏水結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維度的疏水性能表征，表明其良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性能以及一定的承壓能力。采用化學(xué)掩膜刻蝕法制備微米級(jí)表面結(jié)構(gòu)，并使用水熱法制備氧化亞銅疏水層。所制備的結(jié)構(gòu)表面接觸角可以達(dá)到135°，證明了氧化亞銅具有良好的疏水性能。為達(dá)到超疏水的性能要求，采用激光刻蝕法進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)的制備，以獲得尺寸更小的表面微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并利用表面產(chǎn)生的氧化銅與銅基底的歸中反應(yīng)來制備氧化亞銅疏水層。激光刻蝕后的表面接觸角可達(dá)152°，滾動(dòng)角最低只有6°，且在水中也能夠形成穩(wěn)定的氣膜，具有優(yōu)異的超疏水性能。表面微米級(jí)周期結(jié)構(gòu)形貌對(duì)表面潤(rùn)濕性能的影響研究。數(shù)值仿真和激光刻蝕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均表明，固液兩相間的實(shí)際接觸面積越小，表面的疏水性能就越好。表面微結(jié)構(gòu)高度是保證液滴在表面上維持Cassie態(tài)穩(wěn)定的必要條件。通過紫外固化膠在ZnO納米結(jié)構(gòu)的填充實(shí)驗(yàn)，對(duì)比水和紫外固化膠兩種液體的填充過程中的受力情況，得出水可以在長(zhǎng)徑比大于1：8的ZnO納米結(jié)構(gòu)表面呈Cassie狀態(tài)。通過電場(chǎng)調(diào)控液滴在粗糙結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕狀態(tài)，探索潤(rùn)濕狀態(tài)可逆轉(zhuǎn)變的可行性，實(shí)現(xiàn)了液體在各組結(jié)構(gòu)表面潤(rùn)濕狀態(tài)的不完全可逆轉(zhuǎn)變：ZnO納米結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變的電壓范圍為0~90v，接觸角變化范圍為102°~146°；Si納米柱構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變的電壓范圍為0~100v，接觸角變化范圍為89°~150°，為不同潤(rùn)濕狀態(tài)影響界面滑移特性的研究提供可控的實(shí)驗(yàn)條件。 2100433B

針對(duì)變載荷工況下高壓承載區(qū)變化引起混合滑移軸承系統(tǒng)潤(rùn)滑失效問題，提出一種通過動(dòng)態(tài)改變軸承表面滑移區(qū)，從而改善潤(rùn)滑的新方法：適應(yīng)外部載荷變化引起的軸承高壓承載區(qū)的改變，基于電潤(rùn)濕理論，通過滑移區(qū)分布的在線主動(dòng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)軸承系統(tǒng)整體潤(rùn)滑性能顯著提高。研究表面滑移區(qū)域大小、位置、分布方式影響潤(rùn)滑性能的作用機(jī)制，為復(fù)雜混合滑移表面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；研究表面物理化學(xué)及微觀形貌特征與疏水性失穩(wěn)的關(guān)系，指導(dǎo)穩(wěn)定疏水滑移表面的制備；研究部分潤(rùn)濕條件下微觀粗糙表面復(fù)雜三相接觸線影響電潤(rùn)濕電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的機(jī)理和規(guī)律，為表面潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變的可逆實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)和控制方法；研究金屬內(nèi)曲面可逆潤(rùn)濕表面復(fù)合功能膜層制備工藝，為可逆潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)提供有效制備方法。本項(xiàng)目的研究，將為可動(dòng)態(tài)調(diào)控的混合滑移軸承表面的制備建立較為完備的理論技術(shù)基礎(chǔ)，為滑移減阻和電潤(rùn)濕提供新認(rèn)識(shí)，為降低潤(rùn)滑流體溫升提高軸承系統(tǒng)綜合性能提供一種有效方法。

局部減薄是彎頭常見的缺陷，但國(guó)內(nèi)外對(duì)此類缺陷的研究主要針對(duì)直管，對(duì)彎頭局部減薄的研究少有文獻(xiàn)報(bào)道。本文通過詳細(xì)的有限元計(jì)算和理論分析，研究了在內(nèi)壓和彎矩作用下局部減薄對(duì)彎頭極限承載能力的影響，以及內(nèi)壓作用下多局部減薄的相互干涉效應(yīng)和彎矩作用下直管對(duì)彎頭極限載荷的加強(qiáng)作用，并進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以下研究成果：

1.用有限元方法對(duì)內(nèi)壓作用下局部減薄彎頭的極限載荷進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和計(jì)算，得出局部減薄彎頭的極限壓力與局部減薄的直管不同，彎頭的極限壓力不僅取決于局部減薄大小，還與局部減薄位置和彎曲半徑有關(guān)，如采用局部減薄直管的計(jì)算方法評(píng)定彎頭，則會(huì)得出不安全或過于保守的結(jié)果；同時(shí)減薄寬度對(duì)極限載荷的影響也不可忽略。在有限元分析的基礎(chǔ)上給出了局部減薄彎頭極限壓力的計(jì)算公式，公式計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都相當(dāng)吻合并偏安全，計(jì)算公式可以實(shí)際應(yīng)用于局部減薄彎頭的安全評(píng)定，補(bǔ)充了該項(xiàng)研究的空白。

2.通過有限元分析，研究了在內(nèi)壓下多局部減薄之間的相互干涉效應(yīng)，研究表明多局部減薄的相互影響不僅與間距有關(guān)，還與減薄深度有關(guān)。指出減薄深度較淺時(shí)，軸向局部減薄間距大于2倍壁厚，雙局部減薄的極限載荷與單個(gè)局部減薄的極限載荷基本相同；當(dāng)減薄深度較深，軸向局部減薄間距大于4倍壁厚時(shí)，雙局部減薄的極限載荷與單個(gè)局部減薄的極限載荷基本相同，補(bǔ)充了現(xiàn)有研究的不足。

3.通過有限元計(jì)算，研究了相連直管對(duì)彎頭極限彎矩的加強(qiáng)作用，指出與彎頭相連的直管會(huì)使彎頭的極限彎矩增大，彎曲半徑不同時(shí)，彎頭極限載荷增加量不同。當(dāng)相連直管長(zhǎng)度大于3倍管徑時(shí)，直管對(duì)彎頭的強(qiáng)化作用不再增加。該項(xiàng)研究補(bǔ)充了直管對(duì)彎頭加強(qiáng)作用研究的不足。

4.通過有限元分析詳細(xì)研究了局部減薄對(duì)彎頭極限彎矩的影響，得出面內(nèi)彎矩作用下局部減薄彎頭極限彎矩的大小與減薄位置、減薄尺寸及彎曲半徑有關(guān)。研究表明在彎矩作用下，幾何非線性的影響是顯著的。在內(nèi)壁局部減薄和大變形有限元分析的基礎(chǔ)上，給出面內(nèi)彎矩作用下局部減薄彎頭極限彎矩的計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果可以較準(zhǔn)確并偏保守地反映出有限元計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。該項(xiàng)研究填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白。

當(dāng)前我國(guó)核電的發(fā)展形勢(shì)，核主泵的國(guó)產(chǎn)化自主化設(shè)計(jì)制造，需要做一些服務(wù)于設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)的科學(xué)問題的研究。本項(xiàng)目從反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究的角度出發(fā)，研究核主泵瞬變工況下核主泵瞬態(tài)特性及堆芯流量瞬變的研究。從系統(tǒng)理論的角度，提出了反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)核主泵啟動(dòng)瞬變工況下主泵瞬態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，建立核主泵啟動(dòng)無量綱轉(zhuǎn)速和流量特性關(guān)系式，建立了核主泵啟動(dòng)總的無量綱瞬變壓頭、加速壓頭和克服摩擦的壓頭特性關(guān)系式，建立核主泵啟動(dòng)無量綱加速冷卻劑轉(zhuǎn)矩，加速核主泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)矩和克服冷卻劑摩擦轉(zhuǎn)矩特性關(guān)系式。研究了系統(tǒng)參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)主泵啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、流量、壓頭和轉(zhuǎn)矩的影響。提出了反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)核主泵斷電瞬態(tài)特性及堆芯流量的數(shù)學(xué)模型，建立了主泵斷電惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及流量與系統(tǒng)參數(shù)及主泵設(shè)計(jì)參數(shù)的無量綱關(guān)系式，研究了系統(tǒng)無量綱參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)主泵斷電惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及流量的影響。與秦山和大亞灣主泵斷電惰轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了比較，包括流量和轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行了比較，亦與Yokomura發(fā)表的研究型反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)泵的惰走試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，與Tsukamoto的試驗(yàn)泵啟動(dòng)流量、轉(zhuǎn)速和壓頭進(jìn)行了比較，結(jié)果非常吻合，證明所建立的主泵啟動(dòng)和斷電非穩(wěn)態(tài)特性關(guān)系式的正確性。上述建立的特性關(guān)系式?jīng)]有采用離心泵特性關(guān)系式，上述變量全部無量綱化，對(duì)于設(shè)計(jì)新型壓水堆冷卻系統(tǒng)和核主泵均適用，不僅僅適用于壓水堆冷卻系統(tǒng)，對(duì)于水壓閉環(huán)系統(tǒng)瞬變特性的分析亦適用。為我國(guó)核主泵及壓水堆冷卻系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)及制造提供理論依據(jù)。 2100433B

變轉(zhuǎn)速剛性旋翼作為長(zhǎng)航時(shí)及高速等先進(jìn)直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是直升機(jī)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。剛性旋翼不同于常規(guī)鉸接式和擺振柔軟旋翼，旋翼載荷水平明顯較高。旋翼轉(zhuǎn)速的變化，帶來激振頻率的變化，旋翼載荷狀況進(jìn)一步惡化。為了降低變轉(zhuǎn)速剛性旋翼載荷，本項(xiàng)目在基于常轉(zhuǎn)速剛性旋翼載荷控制的基礎(chǔ)上，研究基于變頻液彈吸振器的變轉(zhuǎn)速剛性旋翼載荷控制方法。變頻液彈吸振器根據(jù)旋翼轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)液彈吸振器的固有頻率，達(dá)到能在不同轉(zhuǎn)速下降低旋翼載荷的目的。在建立變頻液彈吸振器動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，耦合旋翼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，建立其多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析變頻液彈吸振器在典型狀態(tài)下（不同轉(zhuǎn)速）的載荷控制能力。通過旋翼－吸振器載荷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于變頻液彈吸振器的變轉(zhuǎn)速剛性旋翼載荷控制方法的有效性。