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指尖密封是近年来发展起来的一种新型密封技术,有关其迟滞特性的研究在国内外得到了很大重视。但以往有关指尖密封迟滞特性的研究在某种意义上讲都是基于三维模型的静力学分析,并没有考虑发动机转子高速运动状态下指尖密封的动力学性态,其原因在于这种条件下动态迟滞特性分析难以进行。此外,由于基于三维模型也难以建立相应的优化数学模型,故而指尖密封迟滞特性的优化分析不具可控性。针对这种情况,本文首先通过有限元分析,获取指尖密封系统结构工况参数与动力学系统有关参数的关系,在此基础上建立指尖密封系统的弹簧—质量—阻尼动力学模型,基于这一动力学模型进行动态条件下的指尖密封迟滞特性分析,从而解决了以往指尖密封动态迟滞特性分析难以进行的问题。
本文采用正交试验设计,在ANSYS软件平台上针对多结构多工况参数情况的指尖密封系统进行了有限元仿真试验,获得指尖密封系统的等效刚度和等效质量,同时借助科学计算软件MATLAB,获得指尖密封系统的等效摩擦阻尼力,从而构建出指尖密封系统的弹簧—质量—阻尼动力学模型。基于这一动力学模型可以将一个实际指尖密封系统的动态迟滞分析转化为一个弹簧—质量—阻尼系统的振动特性分析,大大减小了指尖密封系统动态迟滞分析的计算工作量和计算方法的复杂度。根据弹簧—质量—阻尼动力学模型计算的指尖密封系统动态迟滞分析结果和以往基于有限元分析的指尖密封系统静态迟滞分析结果相比较,证明了本文提出的指尖密封系统动态迟滞特性分析技术的有效性,也表明了指尖密封动态迟滞特性分析的必要性。
指尖密封系统的弹簧—质量—阻尼动力学模型,不仅能够很好地反映出实际指尖密封系统在真实工作条件下的动态迟滞状态。而且通过建立弹簧—质量—阻尼动力学模型中的等效参数和实际指尖密封系统中的结构工况参数的映射关系,可以将基于动力学模型进行的优化分析映射到实际的指尖密封系统,从而实现对实际指尖密封系统的结构优化设计。
此外,本文还开展了指尖密封的弹塑性分析,验证了摩擦阻滞作用是指尖密封系统迟滞产生的主要成因。