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考虑多尺度效应的接触理论及其在密封中的应用

张伟  
【摘要】:密封装置是航天器中一类非常重要的机械结构,其密封性能直接决定着航天器的整体性能、工作寿命、甚至任务成败。为保证航天任务顺利进行,有必要对密封装置的密封机理、泄漏形式和密封优化设计展开深入研究。本文根据端面密封装置的密封机理和流体泄漏过程,将密封泄漏问题视为密封面初始形貌表征、密封端面接触变形和密封泄漏孔道输运行为三者之间的相互耦合,考虑尺度效应对密封问题的影响,对密封端面几何特性、接触特性、泄漏孔道连通特性和流体流动特性等问题进行了研究。论文主要研究内容及学术贡献如下:(1)在密封面几何形貌表征方面,利用分形几何和表面粗糙度能量谱对自仿射分形表面进行了数学表征;给出了表面是否具有分形特征的检测方法和分形维数测量方法;利用傅里叶级数变换法对各向同性的自仿射分形表面进行了数值仿真,模拟了真实表面的复杂、随机、多尺度和自相似的特征。(2)在密封面接触力学理论建模方面,利用Persson接触理论,建立了端面密封接触过程的多尺度力学模型,给出了接触区域应力在尺度-应力空间中的分布规律,以及真实接触面积、接触区平均分离距离等宏观接触参数的尺度相关性;讨论了密封面塑性变形和表面黏着力对接触特性和流体微泄漏孔隙分布规律的影响。本文建立的密封接触模型可以正确预测压紧力、表面粗糙度和表面瑕疵等因素对密封性能的影响。(3)在密封面接触数值仿真方面,将粗糙表面间的接触问题简化为弹性半空间复合粗糙表面的受力变形问题,推导了离散形式的粗糙表面接触控制方程;利用多网格叠加算法(MLMS法)和共轭梯度法(C-G法)对接触控制方程进行了求解;仿真模型与理论模型给出的结果基本一致,验证了理论模型在描述密封接触问题上的正确性。(4)在泄漏孔道建模表征方面,利用异质复合介质理论讨论了密封泄漏孔道的尺度相关、拓扑无序和形状无规的异质复合特点;指出流体在不同尺寸的流道中适用不同的流动方程,当泄漏孔道主要集中在小尺寸级别时,需要考虑流体微流动的影响;利用N-S方程、体积平均理论和有效介质理论,建立了连续压力流经密封面发生泄漏的体积流量表达式和有效渗流率表达式;利用渝渗理论,建立了密封泄漏量计算模型。最后利用本文提出的表面模型、接触模型和泄漏模型,讨论了密封压紧力、密封端面几何形貌以及密封垫片几何尺寸和物理性质对端面密封装置密封性能的影响,并给出了密封件设计的基本思路。(5)在密封泄漏实验研究方面,为验证密封泄漏理论模型的正确性以及真空环境对密封性能的影响,搭建了真空环境密封泄漏检漏系统。以水为密封介质,分别进行了常温常压下垫片式端面密封泄漏率检测实验和真空环境下端面密封泄漏实验。通过实验研究,验证了理论模型的正确性并发现了真空环境下由微小泄漏引起的密封突然失效现象。


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