论文题目: 考虑温粘热效应的滑动轴承非线性油膜力模型研究及其应用
论文类型: 博士论文
论文专业: 流体力学
作者: 刘大全
导师: 张文
关键词: 滑动轴承,一维直接解法,解耦,一维温度场稳态分析模型
文献来源: 复旦大学
发表年度: 2005
论文摘要: 考虑温粘热效应的滑动轴承非线性油膜力模型研究及应用非线性油膜力计算采用短轴承油膜力模型分析误差较大；有限元法或有限差分法配合冲零算法虽然精度较高，但计算量太大而难以忍受。因此，寻求雷诺方程快捷有效求解方法的问题被再次提出。同时，随着旋转机械设备的大型、高速和高效趋势，轴承中的传热问题也变得重要，经典流体润滑理论中的等温假设不再适用，必须研究油膜温度场问题。由于计及温度场，原来解算油膜压力分布的等温条件下的雷诺方程改为变温条件下的广义雷诺方程，数值求解广义雷诺方程计算工作量更大，因此，我们将变分不等方程方法计算等温条件下雷诺方程推广到了变温条件下广义雷诺方程求解，并提出了广义雷诺方程的一维直接解法。在原二维温度场模型基础上，建立了轴承温粘热效应一维分析模型，既考虑了油膜的温度效应，又提供了求解油膜温度场的直接、快速新方法。计算结果与实验数据吻合，运算时间得到大幅度缩减，适用于对计及温度效应下油膜润滑特性的工程分析。这二部分是工作本文的主要创新内涵，它们又包含了若干个创新点，具体内容如下：1建立了有限宽，非稳态轴承的压力轴向解析，周向一维有限元分布模型。基于满足雷诺边界条件下的广义雷诺方程的变分原理和与它等价的变分不等方程，互补方程，将压力函数分离变量，变分方程取极值，确定出压力轴向方向双曲余弦函数式，从而将原本求解油膜压力的二维变分不等方程降阶为一维形式。2提出了用一维直接解法求解非线性非稳态油膜力的一维模型，油膜破裂边界无需迭代，可直接确定。用非稳态油膜力的一般表达形式表述了本文非线性油膜力一维模型。通过轴瓦入口处的代数式符号判断油膜压力计算起始位置，实现了对所有的轴瓦统一处理。无需形成总刚度系数矩阵后再进行求解，油膜压力和动特性系数数值模拟全在正压区域内，节约计算量。采用了牛顿迭代方法求解给定载荷下轴颈静平衡位置点，收敛速度很快，同时应用一维直接解法求解油膜力的雅克比矩阵时几乎不增加计算量。3首次将约束迭代法成功应用到求解广义雷诺方程中。采用有限元法实现了轴承三维和二维温粘热效应下控制方程计算，验证了轴承油膜温度场沿轴向变化的确很小可以忽略，轴向各截面上温度场可用轴承中心对称面上的温度场代替这一结论，为二维和一维温度场模型建立打下了基础。4建立了轴承温粘热效应一维稳态分析模型。忽略周向速度中泊肃叶流项的影响，实现了广义雷诺方程和油膜温度场控制方程的解耦。假定二维温度场径向二项式分布形式，控制方程作径向积分，获得了平均意义上的周向一维温度场分布的简单模型。轴颈表面温度设定为常数，油膜和轴瓦、轴颈接触面上选用导热或绝热边界条件计算，避免了油膜温度场方程和轴瓦导热方程以及油膜与轴瓦接触面上热流连续边界条件的迭代过程，降低了运算时间。5应用轴承一维温度场分析模型计算了二油叶轴承上油膜与轴瓦接触面处温度，计算结果与实验吻合，变化趋势一致；同时，轴瓦导热和轴颈绝热边界条件更接近于实验结果。作为应用，对三油叶轴承进行了温粘热效应计算。6首次引入牛顿迭代法，实现了给定工况下的温粘效应下油膜润滑特性分析，实现了转子一轴承系统动力响应和稳定性分析中按线性化处理的八个动特性系数计算。当轴颈中心在静平衡位置处做微小扰动时，时间很短，此时的温度场还没来得及改变，八个动特性系数仍可按照静平衡位置处的温度场分布计算。该方法同样适用于轴颈中心任意位置处油膜力的雅克比矩阵计算。
论文目录:
摘要
Abstract
前言
一、非线性油膜力算法
二、轴承温粘热效应问题
三、本文工作概述
四、本文成果概述
第一章 非线性油膜力算法和温粘热效应研究综述
1.1 非线性油膜力算法研究
一、早期研究
二、近代研究
1.2 轴承温粘热效应问题
一、轴承温粘热效应的实验研究
二、轴承温粘热效应的理论模型和数值计算研究
第二章 滑动轴承温粘热效应的数学模型
2.1 滑动轴承的几何模型
一、滑动轴承全局描述
二、轴承单块轴瓦描述
三、间隙函数和预付载荷系数
2.2 广义雷诺方程的推导
一、预备知识
二、推导有量纲速度方程和广义雷诺方程
三、广义雷诺方程的边界条件
四、速度方程和广义雷诺方程的无量纲化
五、广义雷诺方程的进一步分析
2.3 轴承温度场控制方程
一、油膜稳定状态下的温度场方程
二、轴颈表面温度
三、轴瓦导热问题
四、温度和粘度关系表达式
五、轴承温度场控制方程的无量纲化
六、三维油膜能量方程简化到二维形式
2.4 滑动轴承特性参数
一、每块轴瓦上特性参数的定义
二、轴承特性参数的定义
三、索摩菲尔德数
2.5 本章小节
第三章 广义雷诺方程的一维直接解法
3.1 广义雷诺方程一维直接解法的理论基础
一、预备知识
二、广义雷诺方程的等价变分原理
三、变分原理的四个等价命题
四、对命题3的进一步分析
3.2 一维直接解法的公式推导
一、轴向解析形式
二、油膜压力沿周向方向的一维有限元求解格式
三、离散互补方程的一维直接解法
3.3 一维动特性系数求解的有限元格式
一、预备知识
二、动特性系数求解格式
三、实际求解过程中程序的优化和技巧
四、一维直接解法计算流程图
3.4 一维直接解法的讨论
一、一维直接解法的提出原因分析
二、一维直接解法的适用范围之二
三、归一到非稳态油膜力的一般表达形式
四、一维直接解法的优点
3.5 滑动轴承外载工况下的计算方法
一、轴承非稳态下油膜力计算
二、轴承稳态下油膜力计算
3.6 计算结果
一、验证内容
二、三个算例
三、算例结论
3.7 本章小节
第四章 温粘热效应三维和二维温度场分析
4.1 轴承温度场有限元格式的理论基础和基本方程
一、油膜三维温度场有限单元法计算的基本方程
二、轴瓦三维温度场有限单元法计算的基本方程
三、与边界条件联立
四、轴承二维温度场有限单元法计算的基本方程
五、三维和二维温度场每个单元的计算方程
六、广义雷诺方程的约束迭代法
4.2 三维和二维温度场计算比较
一、算例模型，轴承基本参数和计算系数
二、计算内容和比较说明
三、计算结果
四、计算结果分析
五、计算结论
六、二维和三维温度场分析的计算流程图
4.3 本章小节
第五章 滑动轴承温粘热效应一维温度场分析
5.1 轴承一维温度场控制方程的推导
一、预备工作
二、一维温度场控制方程推导
三、一维轴承温粘热效应分析计算流程图
5.2 二维模型简化时各环节计算结果比较
一、算例模型，轴承基本参数和计算系数
二、比较内容和比较说明
三、计算结果
四、计算结果分析
五、计算结论
5.3 三维、二维和一维温度场模型计算比较
一、算例模型，轴承基本参数和计算系数
二、计算结果
三、计算结果分析
5.4 轴承一维温度场控制方程的理论基础
一、一维温度场控制方程组推导的理论部分
二、三种控制方程的计算比较
三、计算结果分析
5.5 一维温度场模型与实验结果比较
一、轴承模型和参数
二、一维温度场四种模型结果与实验比较
三、模型D与文献中的二维模型和实验结果比较
四、一维模型进一步分析
5.6 三油叶轴承温粘效应分析
一、轴承模型、参数和比较内容
二、计算结果和讨论
5.7 本章小节
第六章 研究总结与展望
6.1 研究总结
一、广义雷诺方程的一维直接解法
二、温粘热效应一维计算模型
三、创新点总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间的研究成果
发布时间: 2007-06-28
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