基于通用型线方程的径向滑动轴承动态特性研究

摘要

旋转机械是国民经济中的重要机械装备。随着国家电力、航空、机械、石化等工业的迅猛发展，旋转机械发挥着重大的作用。动压径向滑动轴承是旋转机械十分重要的支撑部件，在实际工程中，其静态特性、动态特性对设备的工作有重大影响。动压径向轴承被广泛应用于各种旋转机械中，随着现代机械向大型化、高速化、高性能方向发展，动压径向轴承形状设计方法研究成为改善或提高机组性能非常重要的发展方向。
　　本课题是国家自然科学基金项目《三维可变孔轴形状耦合径向轴承动力润滑特性及设计理论》（编号：51005257）中的部分研究内容。本文在基于通用型线方程轴承理论的基础上，对轴承的静态、动态性能进行研究，以便能进一步优化出性能更优良的动压径向滑动轴承的轮廓形状。运用数值分析自编程序，软件模拟仿真对前人优化得到的轴承形状进行动态研究分析。比对两者的性能结果，进一步优化得到满足一定承载力要求，同时稳定性更优的轴承形状。本文主要研究工作和主要内容如下：
　　①使用CFD有限元软件，选用FLUENT和COMSOL Multiphysics两款商用软件，对已经通过优化型线得到的n=1和n=3的两种型线方程的轴承形状，建立实体模型，生成有限元模型，数值仿真模拟，求解得到静态压力分布云图。通过导出压力分布的数据，编制MATLAB程序，积分求解得到承载力，CFD分析结果与数值分析方法进行对比基本吻合，验证了自编程序数值方法的正确性，为动态分析、稳定性分析的研究奠定了基础。
　　②从雷诺方程出发，结合轴承型线理论，推导扰动压力雷诺方程和刚度系数、阻尼系数的计算方法。利用matlab编写程序分别计算并分析圆轴承和非圆轴承在各种工况下的八个动力系数。分析油膜失稳的稳定性指标，以刚性转子为例，其稳定性指标则为无量纲转子质量Mst，进而数值计算。研究结果表明：n=1圆轴承的稳定性比n=3非圆轴承的稳定性更优。
　　③应用模态分析的原理和一般步骤，建立实体模型，网格化，生成有限元模型。运用ANSYS有限元软件对转子系统进行动力学模态分析，计算出两种模型的一阶固有频率和临界转速。用软件分析稳定性的结果与数值分析研究的结果是一致的。
　　④通过对动态特性的分析，发现仅以承载力为目标优化得到的轴承形状的稳定性欠佳，因此，提出稳定性为目标函数，以最小油膜厚度和轴承承载力为限制条件，采用遗传算法进行优化。优化结果显示，可以得到不但满足一定的承载力，而且稳定性更佳的轴承。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外动压轴承研究概况

1.3 课题研究的背景及意义

1.4 课题来源

1.5 本文工作内容及技术路线

2 理论基础

2.1 滑动轴承流体润滑理论的形成

2.2 研究的假设

2.3 雷诺方程

2.4 有限差分法求解雷诺方程

2.5 轴承的特性

2.6 基于傅里叶级数的通用型线方程理论

2.7 本章小结

3基于CFD有限元软件的模拟仿真

3.1 引言

3.2 数学建模的建立

3.3 FLUENT仿真模拟动压滑动轴承

3.4 COMSOL Multiphysics仿真模拟动压滑动轴承

3.5 本章小结

4 轴承动态特性研究

4.1 引言

4.2 滑动轴承动力特性计算理论

4.3 动力系数的计算与分析

4.4 轴承稳定性研究

4.5 利用ANSYS对转子系统进行动力学分析

4.6 本章小结

5 以稳定性为目标的轴承形状优化

5.1 引言

5.2 优化算法

5.3 优化实例及结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间参加的科研项目

B. 攻读硕士学位期间发表的论文