變載荷工況下軸承表面局部滑移特性主動調控方法研究結題摘要

針對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)潤滑失效問題，提出一種通過動態(tài)改變軸承表面滑移區(qū)，從而改善潤滑的新方法：適應外部載荷變化引起的軸承高壓承載區(qū)的改變，基于電潤濕理論，通過滑移區(qū)分布的在線主動調控，實現(xiàn)軸承系統(tǒng)整體潤滑性能顯著提高。本研究首先基于水氣的穩(wěn)定疏水理論，分別利用化學水浴生長法和粒子掩蔽刻蝕的方法制備了ZnO納米柱和Si納米柱兩種疏水結構，通過對制備工藝的研究，實現(xiàn)了粗糙結構柱徑和高度的可控制備。通過接觸角、滾動角、彈跳性能對所制備的疏水結構進行多維度的疏水性能表征，表明其良好的靜態(tài)和動態(tài)潤濕性能以及一定的承壓能力。采用化學掩膜刻蝕法制備微米級表面結構，并使用水熱法制備氧化亞銅疏水層。所制備的結構表面接觸角可以達到135°，證明了氧化亞銅具有良好的疏水性能。為達到超疏水的性能要求，采用激光刻蝕法進行表面微結構的制備，以獲得尺寸更小的表面微納米復合結構，并利用表面產(chǎn)生的氧化銅與銅基底的歸中反應來制備氧化亞銅疏水層。激光刻蝕后的表面接觸角可達152°，滾動角最低只有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。表面微米級周期結構形貌對表面潤濕性能的影響研究。數(shù)值仿真和激光刻蝕實驗的結果均表明，固液兩相間的實際接觸面積越小，表面的疏水性能就越好。表面微結構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納米結構的填充實驗，對比水和紫外固化膠兩種液體的填充過程中的受力情況，得出水可以在長徑比大于1：8的ZnO納米結構表面呈Cassie狀態(tài)。通過電場調控液滴在粗糙結構的潤濕狀態(tài)，探索潤濕狀態(tài)可逆轉變的可行性，實現(xiàn)了液體在各組結構表面潤濕狀態(tài)的不完全可逆轉變：ZnO納米結構表面實現(xiàn)轉變的電壓范圍為0~90v，接觸角變化范圍為102°~146°；Si納米柱構表面實現(xiàn)轉變的電壓范圍為0~100v，接觸角變化范圍為89°~150°，為不同潤濕狀態(tài)影響界面滑移特性的研究提供可控的實驗條件。 2100433B

針對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)潤滑失效問題，提出一種通過動態(tài)改變軸承表面滑移區(qū)，從而改善潤滑的新方法：適應外部載荷變化引起的軸承高壓承載區(qū)的改變，基于電潤濕理論，通過滑移區(qū)分布的在線主動調控，實現(xiàn)軸承系統(tǒng)整體潤滑性能顯著提高。研究表面滑移區(qū)域大小、位置、分布方式影響潤滑性能的作用機制，為復雜混合滑移表面設計提供理論依據(jù)；研究表面物理化學及微觀形貌特征與疏水性失穩(wěn)的關系，指導穩(wěn)定疏水滑移表面的制備；研究部分潤濕條件下微觀粗糙表面復雜三相接觸線影響電潤濕電場邊緣效應的機理和規(guī)律，為表面潤濕性轉變的可逆實現(xiàn)提供理論基礎和控制方法；研究金屬內(nèi)曲面可逆潤濕表面復合功能膜層制備工藝，為可逆潤濕轉變實現(xiàn)提供有效制備方法。本項目的研究，將為可動態(tài)調控的混合滑移軸承表面的制備建立較為完備的理論技術基礎，為滑移減阻和電潤濕提供新認識，為降低潤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，但國內(nèi)外對此類缺陷的研究主要針對直管，對彎頭局部減薄的研究少有文獻報道。本文通過詳細的有限元計算和理論分析，研究了在內(nèi)壓和彎矩作用下局部減薄對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和彎矩作用下直管對彎頭極限載荷的加強作用，并進行了部分實驗驗證，得到了以下研究成果：

1.用有限元方法對內(nèi)壓作用下局部減薄彎頭的極限載荷進行了系統(tǒng)地分析和計算，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，如采用局部減薄直管的計算方法評定彎頭，則會得出不安全或過于保守的結果；同時減薄寬度對極限載荷的影響也不可忽略。在有限元分析的基礎上給出了局部減薄彎頭極限壓力的計算公式，公式計算結果與有限元計算和實驗結果都相當吻合并偏安全，計算公式可以實際應用于局部減薄彎頭的安全評定，補充了該項研究的空白。

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，研究表明多局部減薄的相互影響不僅與間距有關，還與減薄深度有關。指出減薄深度較淺時，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局部減薄的極限載荷基本相同；當減薄深度較深，軸向局部減薄間距大于4倍壁厚時，雙局部減薄的極限載荷與單個局部減薄的極限載荷基本相同，補充了現(xiàn)有研究的不足。

3.通過有限元計算，研究了相連直管對彎頭極限彎矩的加強作用，指出與彎頭相連的直管會使彎頭的極限彎矩增大，彎曲半徑不同時，彎頭極限載荷增加量不同。當相連直管長度大于3倍管徑時，直管對彎頭的強化作用不再增加。該項研究補充了直管對彎頭加強作用研究的不足。

4.通過有限元分析詳細研究了局部減薄對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。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上，給出面內(nèi)彎矩作用下局部減薄彎頭極限彎矩的計算公式，計算結果可以較準確并偏保守地反映出有限元計算結果，并與實驗結果相符。該項研究填補了這一領域的空白。

當前我國核電的發(fā)展形勢，核主泵的國產(chǎn)化自主化設計制造，需要做一些服務于設計制造的基礎的科學問題的研究。本項目從反應堆冷卻系統(tǒng)基礎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，提出了反應堆冷卻系統(tǒng)核主泵啟動瞬變工況下主泵瞬態(tài)特性的數(shù)學模型，建立核主泵啟動無量綱轉速和流量特性關系式，建立了核主泵啟動總的無量綱瞬變壓頭、加速壓頭和克服摩擦的壓頭特性關系式，建立核主泵啟動無量綱加速冷卻劑轉矩，加速核主泵轉動部分轉矩和克服冷卻劑摩擦轉矩特性關系式。研究了系統(tǒng)參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉動慣量對主泵啟動轉速、流量、壓頭和轉矩的影響。提出了反應堆冷卻系統(tǒng)核主泵斷電瞬態(tài)特性及堆芯流量的數(shù)學模型，建立了主泵斷電惰轉轉速及流量與系統(tǒng)參數(shù)及主泵設計參數(shù)的無量綱關系式，研究了系統(tǒng)無量綱參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉動慣量對主泵斷電惰轉轉速及流量的影響。與秦山和大亞灣主泵斷電惰轉實驗曲線進行了比較，包括流量和轉速曲線進行了比較，亦與Yokomura發(fā)表的研究型反應堆實驗泵的惰走試驗結果進行比較，與Tsukamoto的試驗泵啟動流量、轉速和壓頭進行了比較，結果非常吻合，證明所建立的主泵啟動和斷電非穩(wěn)態(tài)特性關系式的正確性。上述建立的特性關系式?jīng)]有采用離心泵特性關系式，上述變量全部無量綱化，對于設計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)，對于水壓閉環(huán)系統(tǒng)瞬變特性的分析亦適用。為我國核主泵及壓水堆冷卻系統(tǒng)自主設計及制造提供理論依據(jù)。 2100433B

變轉速剛性旋翼作為長航時及高速等先進直升機的關鍵技術是直升機領域研究的重點和難點之一。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。旋翼轉速的變化，帶來激振頻率的變化，旋翼載荷狀況進一步惡化。為了降低變轉速剛性旋翼載荷，本項目在基于常轉速剛性旋翼載荷控制的基礎上，研究基于變頻液彈吸振器的變轉速剛性旋翼載荷控制方法。變頻液彈吸振器根據(jù)旋翼轉速的變化調節(jié)液彈吸振器的固有頻率，達到能在不同轉速下降低旋翼載荷的目的。在建立變頻液彈吸振器動力學模型基礎上，耦合旋翼系統(tǒng)動力學模型，建立其多體系統(tǒng)動力學模型，分析變頻液彈吸振器在典型狀態(tài)下（不同轉速）的載荷控制能力。通過旋翼－吸振器載荷實驗驗證基于變頻液彈吸振器的變轉速剛性旋翼載荷控制方法的有效性。