考慮多尺度效應(yīng)的接觸理論及其在密封中的應(yīng)用.pdf

1、密封裝置是航天器中一類非常重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其密封性能直接決定著航天器的整體性能、工作壽命、甚至任務(wù)成敗。為保證航天任務(wù)順利進(jìn)行，有必要對(duì)密封裝置的密封機(jī)理、泄漏形式和密封優(yōu)化設(shè)計(jì)展開深入研究。本文根據(jù)端面密封裝置的密封機(jī)理和流體泄漏過程，將密封泄漏問題視為密封面初始形貌表征、密封端面接觸變形和密封泄漏孔道輸運(yùn)行為三者之間的相互耦合，考慮尺度效應(yīng)對(duì)密封問題的影響，對(duì)密封端面幾何特性、接觸特性、泄漏孔道連通特性和流體流動(dòng)特性等問題進(jìn)行了研究

2、。論文主要研究?jī)?nèi)容及學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下：
　?。?）在密封面幾何形貌表征方面，利用分形幾何和表面粗糙度能量譜對(duì)自仿射分形表面進(jìn)行了數(shù)學(xué)表征；給出了表面是否具有分形特征的檢測(cè)方法和分形維數(shù)測(cè)量方法；利用傅里葉級(jí)數(shù)變換法對(duì)各向同性的自仿射分形表面進(jìn)行了數(shù)值仿真，模擬了真實(shí)表面的復(fù)雜、隨機(jī)、多尺度和自相似的特征。
　　（2）在密封面接觸力學(xué)理論建模方面，利用Persson接觸理論，建立了端面密封接觸過程的多尺度力學(xué)模型，給出了接觸區(qū)域應(yīng)

3、力在尺度-應(yīng)力空間中的分布規(guī)律，以及真實(shí)接觸面積、接觸區(qū)平均分離距離等宏觀接觸參數(shù)的尺度相關(guān)性；討論了密封面塑性變形和表面黏著力對(duì)接觸特性和流體微泄漏孔隙分布規(guī)律的影響。本文建立的密封接觸模型可以正確預(yù)測(cè)壓緊力、表面粗糙度和表面瑕疵等因素對(duì)密封性能的影響。
　　（3）在密封面接觸數(shù)值仿真方面，將粗糙表面間的接觸問題簡(jiǎn)化為彈性半空間復(fù)合粗糙表面的受力變形問題，推導(dǎo)了離散形式的粗糙表面接觸控制方程；利用多網(wǎng)格疊加算法（MLMS法）和共

4、軛梯度法（C-G法）對(duì)接觸控制方程進(jìn)行了求解；仿真模型與理論模型給出的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了理論模型在描述密封接觸問題上的正確性。
　　（4）在泄漏孔道建模表征方面，利用異質(zhì)復(fù)合介質(zhì)理論討論了密封泄漏孔道的尺度相關(guān)、拓?fù)錈o序和形狀無規(guī)的異質(zhì)復(fù)合特點(diǎn)；指出流體在不同尺寸的流道中適用不同的流動(dòng)方程，當(dāng)泄漏孔道主要集中在小尺寸級(jí)別時(shí)，需要考慮流體微流動(dòng)的影響；利用N-S方程、體積平均理論和有效介質(zhì)理論，建立了連續(xù)壓力流經(jīng)密封面發(fā)生泄漏的體

5、積流量表達(dá)式和有效滲流率表達(dá)式；利用渝滲理論，建立了密封泄漏量計(jì)算模型。最后利用本文提出的表面模型、接觸模型和泄漏模型，討論了密封壓緊力、密封端面幾何形貌以及密封墊片幾何尺寸和物理性質(zhì)對(duì)端面密封裝置密封性能的影響，并給出了密封件設(shè)計(jì)的基本思路。
　?。?）在密封泄漏實(shí)驗(yàn)研究方面，為驗(yàn)證密封泄漏理論模型的正確性以及真空環(huán)境對(duì)密封性能的影響，搭建了真空環(huán)境密封泄漏檢漏系統(tǒng)。以水為密封介質(zhì)，分別進(jìn)行了常溫常壓下墊片式端面密封泄漏率檢測(cè)實(shí)