基于混合遗传算法的径向滑动轴承表面织构优化

在内燃机曲轴系统的径向滑动轴承表面设计了球形凹坑织构,以改善润滑性能;为了获得最大的轴承承载力和最小的摩擦因数,提出了基于序列二次规划算法和遗传算法的混合进化优化方法,构建了径向滑动轴承球形凹坑织构的优化模型,对凹坑织构的分布位置和结构参数进行了全局寻优,得到了给定工况下最优的织构角度和最大深度;为了求解径向滑动轴承的承载力和摩擦因数,考虑曲轴和轴承表面粗糙度对油膜流动的影响,采用质量守恒的JFO空穴算法处理油膜的破裂和再形成行为,基于平均Reynolds方程和Greenwood-Tripp微凸体接触方程构建了球形凹坑织构径向滑动轴承的混合润滑模型,分析了球形凹坑织构的分布位置和结构参数(数量、面积率和最大深度)对径向滑动轴承承载力和摩擦因数的影响。分析结果表明:径向滑动轴承的承载力和摩擦因数是凹坑面积率的单调函数;存在最优的凹坑织构角度和最大深度使得径向滑动轴承的承载力最大与摩擦因数最小;当偏心率由0.3增加到0.7时,轴承承载力的提升量由13.38%下降到0.62%,摩擦因数的降低量由0.73%逐渐下降至负数,因此,当偏心率较小时,球形凹坑织构能够有效降低径向滑动轴承的摩擦因数,增大承载力,当偏心率较大时,球形凹坑织构无益于轴承摩擦因数的降低。     

水润滑可倾瓦推力轴承设计与性能分析

针对无轴轮缘驱动推进器对高承载、长寿命、低噪音水润滑推力轴承的需求,设计了一种阶梯橡胶垫支撑的水润滑可倾瓦推力轴承;应用流-固双向直接耦合分析方法,建立了轴承性能计算模型,研究了橡胶垫基体厚度、阶梯厚度、阶梯厚度比、阶梯宽度比和瓦面材料对推力盘轴向位移、最大水膜压力与水膜厚度的影响。研究结果表明:在载荷不变的情况下,推力盘轴向位移和橡胶垫最大应力与橡胶垫厚度和橡胶垫阶梯宽度比成正比;阶梯厚度比由2/2变成3/6时,最大水膜压力由1.10 MPa提高到1.32 MPa,平均水膜厚度由9.4μm增大到14.0μm,增幅分别为20.00%和48.94%,平均水膜厚度随最大水膜压力的增大而增大;橡胶垫阶梯厚度比为2/4,阶梯宽度比为16/20~20/16时,轴承综合性能较为理想;增大推力瓦面材料的弹性模量,有利于提高轴承的润滑性能,橡胶垫最佳阶梯宽度比随之增大。     

微织构表面液滴铺展特性

以Flow-3D为基础,对不同微织构表面上液滴的铺展过程进行了动力学仿真,提出了三相接触线的移动机制,并用接触线铺展标定律、铺展速度和最终铺展半径评价液滴在微织构表面上的铺展特性。试验结果表明:液滴在微织构表面和光滑表面上分别满足相应的铺展标定律,微织构增大了固-液接触面积,液滴铺展过程获得了额外驱动力,因而,铺展速度和最终铺展半径都增大;在正方形凹坑表面,最终铺展半径由1.05mm增大到1.30mm,而在正方形凸起表面,最终铺展半径达到最大值1.62mm;相比于微凹坑,微凸起更有利于液滴的铺展,由于微凸起的存在,固-液间接触面积迅速增大,液滴铺展获得了额外的驱动力,加上微凸起之间形成的微通道,三相接触线始终保持连续性特征;反观微凹坑表面,虽然固-液间的接触面积增大,但是三相接触线钉扎在微凹坑内,随着铺展速度逐渐降低,液滴最终稳定在平衡位置;液滴在长方形织构表面上的铺展过程具有各向异性,平行于微织构方向的铺展速度大,最终铺展半径为1.13mm,铺展特性较好,而垂直于微织构方向的铺展速度小,由于三相接触线的不连续性,最终铺展半径为0.94mm,铺展特性较差。     

非光滑表面Mira阶梯背模型气动特性分析

对Mira阶梯背模型外流场进行数值模拟并验证,表明仿真结果可靠;研究了非光滑单元体类型对气动性能的影响,结果表明半球形凹坑减阻效果最优,减阻率为4.87%;采用正交试验方法研究了凹坑型非光滑单元体的排列方式、深度、纵横间距(纵横为等间距)等对气动性能的影响,结果表明影响减阻效果的主次因素为非光滑单元体的深度、纵横间距、速度、排列方式,其中最优组合减阻率为6.07%。     

非支配排序遗传算法的动压轴承形状多目标优化

为了克服以偏心率为初始参数的轴承优化模型优化结果局限于原始形状的缺点,提出用傅里叶级数表示通用膜厚方程,建立了多目标形状优化设计数学模型.应用基于非支配排序遗传算法,以最小功耗和最小侧漏流速为目标、最小油膜厚度和最小承载力为限制条件,以通用膜厚方程系数为设计变量,进行了轴承形状的多目标优化设计,并用Matlab偏微分方程工具箱求解基于通用膜厚的控制方程.实例分析结果表明:基于通用膜厚方程的多目标优化后的轴承形状不受固有型线的限制;在保证最大承载力的基础上,优化后的非圆轴承与仅以最大承载力为单目标优化的结果相比,最小功耗下降了80.8%,最小侧漏流速比优化前下降了3个数量级,并得出了Pareto最优解集.     

高寒盐沼泽区干湿-冻融循环下桥梁桩基腐蚀损伤与承载特性

为探明青海地区桥梁桩基在干湿-冻融循环条件下的腐蚀损伤特性, 依托德香高速公路工程, 在现场埋设钢筋和混凝土试件进行干湿-冻融循环1年, 采用室内试验将混凝土试件进行干湿-冻融循环225次, 对比分析了不同位置和不同循环时间条件下混凝土质量、抗侵蚀系数、相对动弹性模量、抗压强度、微观机理以及钢筋锈蚀率的变化规律; 采用数值仿真分析了未防护桩基20年内承载力变化规律, 并提出了高寒盐沼泽区桥梁桩基防护措施。研究结果表明: 随着试件埋设深度的增加, 现场桩基混凝土试件的抗侵蚀系数相关度增大, 最大值为0.93;随着时间的增加, 桩基混凝土试件的抗压强度最大损失率为38.20%, 埋深0.25 m处钢筋的面积锈蚀率最大, 为91%;表面涂抹环氧树脂可以有效减少钢筋锈蚀率, 桩基混凝土试件与钢筋的质量变化不明显; 干湿-冻融循环225次时, 桩基混凝土试件的边角处出现脱落, 四周出现裂纹, 但质量变化较小, 相对动弹性模量降低了39.10%, 抗侵蚀系数降低到0.51, 混凝土的抗压强度损失率为65.88%, 其内部因出现Friedel盐等膨胀性物质而趋于破坏; 随着剥落厚度和腐蚀深度的增加, 前8年桩基的承载力基本不变, 8年后其承载力逐步降低, 若不进行维护, 第20年桩基承载力降低34.45%;建议在桩基服役8年后, 要进行重点防护。      

基于凹坑非光滑体结构的车身气动减阻优化

以Mira斜背式模型为研究对象,将凹坑型非光滑单元结构引入到Mira模型的尾部。以气动风阻系数最小为优化目标,采用多岛遗传算法对凹坑型非光滑单元结构的特征参数进行优化设计。首先对凹坑型非光滑单元结构的特征参数进行实验设计,分析各参数对优化目标的贡献率;其次根据样本点与其响应值之间的数学关系,构建可信度高的Kriging近似模型;最后以此近似模型为基础,在各参数范围内寻求最优解。研究结果表明:在Mira斜背式模型尾部布置凹坑深度为6 mm、横向间距为37 mm、纵向间距为45 mm、直径为41 mm的凹坑型非光滑单元结构,减阻率最显著可达到8.3%。     

硬壳层对管桩复合地基桩-土应力比的影响

为研究就地固化硬壳层对预应力管桩复合地基桩-土应力比的影响，以绍兴钱滨线泥浆池路段为背景，开展现场试验和数值模拟分析，研究路堤荷载作用下预应力管桩复合地基的受力和变形；从桩-土应力比的角度，着重探讨硬壳层对桩基复合地基承载性能的影响规律；分析路堤高度与桩帽净间距之比、桩帽宽度与桩帽净间距之比等设计参数对桩-土应力比发展的影响机制.研究结果表明：硬壳层的存在能够有效提高桩基复合地基的承载特性；在本文试验条件下，就地固化硬壳层的预应力管桩复合地基最大水平位移发生在地表以下5～6 m处，区别于传统桩基复合地基的土体水平位移沿深度逐渐降低的规律；桩-土应力比在23～37，高于传统桩基复合地基.     

主动磁悬浮轴承在余热发电机的应用研究

针对传统余热发电设备存在发电效率低、成本高、体积大等问题,设计了一款装备5自由度（5-DOF）主动磁悬浮轴承的余热发电机,用于余热发电有机朗肯循环系统. 首先,基于电机转子轴径限制和最大承载力要求,确定径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的结构形式,采用一维磁路模型和二维有限元分析,计算并校核磁悬浮轴承的尺寸和性能参数;其次,为保证磁悬浮轴承的稳定裕度,采用三电平PWM功率放大器降低输出电流纹波,利用不完全微分PID控制器和不平衡补偿算法实现5自由度稳定悬浮;最后,将该磁悬浮余热发电机应用到实际客户现场,从稳定裕度、承载力和轴振峰峰值3个维度验证磁悬浮余热发电机的可靠性. 现场试验结果表明:磁悬浮余热发电机系统运行稳定可靠,实现了满功率发电和长期运行考核;在全工况运行范围,磁悬浮轴承系统的灵敏度函数小于12 dB,余热发电机转子振动峰峰值小于53 μm,满足ISO14839-3规定的长期稳定运行要求;轴向承载力最大达到3 600 N,满足实际工况需求.      

曲轴动压滑动轴承非线性油膜力解析方法

基于分离变量法、Sturm-Liouville理论与下游Reynolds边界条件, 提出了一种求解曲轴动压滑动轴承非线性油膜力的解析方法; 将轴承不可压缩流体动压润滑Reynolds方程的压力分布表示为特解加通解的形式; 运用分离变量法, 将油膜压力分布的特解和通解分别表示为周向分离函数和轴向分离函数相加和相乘的形式; 为了便于求解, 对油膜压力特解的周向分离函数进行Sommerfeld变换, 通过连续性条件确定油膜的终止位置角; 由于油膜压力通解的周向分离函数没有直接解的形式, 通过油膜厚度的逼近函数将油膜压力通解的周向分离函数转化为Sturm-Liouville型方程, 根据边界条件求得本征值和本征函数系, 通过三角函数的无穷级数展开表示油膜压力通解的周向分离函数; 采用含本征值的双曲正切函数表示油膜压力通解的轴向分离函数; 在润滑油膜的完备区域, 对油膜压力分布的解析表达式进行积分, 求得曲轴轴承的非线性油膜力。分析结果表明: 采用解析方法计算的非线性油膜力与有限差分法的计算结果吻合较好, 偏心率较小时非线性油膜力仅相差约5%;当轴承偏心率由0.2增大到0.6时, 油膜终止位置角的最大值减小了13.5%;当量纲为1的速度扰动由0增大到0.03时, 油膜终止位置角变化了3.3%;当本征值的个数不小于20时, 量纲为1的径向、切向通解油膜力的变化较小, 取值分别保持在-2.8、4.6附近。由此可见: 采用解析方法能够准确求解曲轴动压滑动轴承的非线性油膜力; 轴承偏心率对油膜破裂的影响较大, 且偏心率较大时油膜易破裂; 相对于轴承偏心率而言, 速度扰动对油膜破裂的影响较小; 当本征值的个数不小于20时, 油膜压力通解的计算精度较高, 能够满足工程需要。      

内燃机活塞组件-缸套系统表面技术研究进展

通过分析与总结国内外内燃机活塞组件-缸套系统表面技术研究现状和发展趋势,梳理了表面织构和表面涂层技术在内燃机关键运动副减摩抗磨与节能应用中的特点; 剖析了表面织构加工技术、表面织构形貌特征与分布、表面涂层制备工艺、表面耐磨涂层、表面热障涂层和表面技术与润滑的协同效应对运动副摩擦性能的影响。分析结果表明:激光表面织构(LST)能有效改善运动副表面的摩擦学性能,直接/间接激光冲击表面织构(LSSP)技术已成为高效、灵活的表面织构加工方法,但由于织构加工工艺、形貌和分布特征对摩擦学性能的影响较为复杂,仍需进一步结合内燃机活塞组件-缸套系统的工况特性研究并优化表面织构的形貌和分布特征; 大气等离子喷涂(APS)和超音速火焰(HVOF)喷涂制备的耐磨涂层和热障涂层(TBC)具有良好的耐磨、隔热和抗氧化性,可使内燃机活塞组件-缸套系统表面金属基复合材料、类金刚石(DLC)材料、纳米复合材料和陶瓷材料涂层的减摩抗磨和节能成效明显,但涂层材料种类繁多,很难形成统一的行业标准、规范以及工业化应用; 内燃机活塞组件-缸套系统的动力学特性和表面织构、表面涂层与润滑的协同作用复杂,将来仍需综合考虑多场条件下各种表面技术耦合的减摩抗磨机理,进一步完善内燃机活塞组件-缸套系统表面复合理论和技术体系,为内燃机产业的绿色和高效发展提供技术指导。      

红砂岩地层大型车站深基坑桩锚支护结构变形分析

结合江西省赣州市赣州西站预留地铁车站深基坑工程,对红砂岩地层深基坑桩锚支护的桩顶水平位移、深层水平位移、锚索轴力和地表沉降进行现场监测分析。结果表明:桩顶水平位移、深层水平位移、锚索轴力和地表沉降时空效应显著,基坑中部变形大于坑角,长边大于短边,且从中部向坑角逐渐减小;桩体水平位移曲线呈两头小、中间大的“弓”形,最大位移出现在桩体埋深1/2 ~ 2/3 处,与锚索最大轴力所在位置的深度一致;锚索轴力随基坑深度变化呈类抛物线形分布,轴力损失和增长主要发生在基坑开挖阶段;坑外的地表沉降主要呈凹槽形分布,最大沉降发生在距坑边8． 5 m 左右处;基坑周围地表最大沉降值与深层最大水平位移之间存在着较为明显的线性关系。     

农村公路减速设施的适应性分析

为了研究不同减速设施的减速效果,本文选取四种规格的减速丘和减速带为主要研究对象,通过实验设计和现场调研获取数据,对比农村公路上这四种典型的减速设施的85%位车辆速度;经过数据对比分析得出,较宽型的减速丘在农村公路上的减速效果最佳。同时,为了研究标志牌设置的最优位置,本文采用驾驶模拟器进行了仿真实验,通过设置前置25m、30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m八种实验场景,获取车辆速度值,进行数据对比分析。实验结果表明,在限制速度为40km/h、车道宽度为3.5m,车流为自由流的农村公路上,减速标志牌设置在减速丘前50m位置处最优,速度下降率最大且车辆在减速丘处车速最平稳。     

基于不等磁路面积设计方法的磁轴承刚度

磁悬浮转子需同时满足抗干扰与共振隔离需求,为了从磁悬浮轴承结构角度奠定设计基础,基于磁悬浮轴承结构参数对支承刚度的影响,对高刚度磁悬浮轴承设计方法展开研究. 首先,通过磁悬浮轴承刚度解析式推导,分析磁悬浮轴承结构参数对支承刚度的影响因素,确定支承刚度优化方向;其次,提出高刚度磁悬浮轴承设计方法,分析支承刚度的优化效果;最后,通过转子固有频率测试及压缩机升频实验,验证所提出方法的可行性. 结果表明:在压缩机样机中,磁悬浮轴承采用不等磁路面积结构,在齿轭宽度比为1.2时,可使轴承在最恶劣工况,即对应最大控制电流时,支承刚度较常规等磁路面积结构提高了25%,压缩机在工况运行区间有效避免共振,为工程应用中磁悬浮轴承刚度优化设计提供参考.      

新型转子结构的三自由度混合磁轴承损耗分析

为减少六极径向-轴向混合磁轴承（radial-axial hybrid magnetic bearing，RAHBM）高速下转子产生的损耗，提出了一种部分叠片的转子结构. 首先，用等效磁路法推导了六极RAHMB的悬浮力数学模型，依据该模型设计磁轴承结构参数，对不同转子叠片深度下的铁损和悬浮力进行仿真分析，选择叠片深度最优值；然后，在有限元仿真软件中设定转子转速为50000 r/min，向六极RAHMB分别施加径向和轴向最大控制电流，分析磁轴承产生最大承载力情况下实心转子与部分叠片转子的损耗；最后，对部分叠片转子在正弦扰动电流下的涡流损耗和磁滞损耗进行计算和仿真. 研究结果表明:在产生最大承载力条件下，部分叠片转子结构能够将损耗降低69.7%，虽然轴向承载力减小了14.7%，但仍能够满足设计要求；部分叠片转子可将正弦扰动电流下铁损降低55.4%.      

沥青路面车辙病害的成因与防治

车辙是沥青路面表面形成的沿轮迹方向大于10mm的纵向带状凹陷。按车辙深度的不同分为轻、重两个等级,损坏的计量按长度计算,并按0.4m的影响宽度换算为损坏面积。轻度车辙辙槽浅,深度在10～15mm之间;重度车辙辙槽深,深度在15mm以上。     

青藏高原机场跑道多年冻土地基温度场特征

对比了青藏高原多年冻土地区机场跑道地基温度场与公路路基温度场, 分析了其地基温度分布、温度沿深度的变化以及地基最大融化深度, 研究了宽幅沥青混凝土道面机场跑道地基温度场特征, 对比了不同道面宽度条件下其地基温度分布、不同时间地基温度沿深度的变化以及跑道中部及道肩的最大融化深度, 并基于道面宽度、时间建立了沥青混凝土道面机场跑道道中地基融化深度的表达式。研究结果表明: 多年冻土地区机场跑道地基温度场与公路路基温度场存在明显差异, 机场跑道地基融土核位置更低, 且全部位于天然地面以下, 而公路路基融土核位置相对较高, 可以通过抬高路堤使融土核全部位于路堤内, 便于通风管等温控措施的施工, 可见由于机场跑道无路堤、道面幅度宽等特点, 使得多年冻土地区公路与铁路建设的现有研究成果不能完全应用于机场跑道建设中; 对于沥青混凝土道面的机场跑道多年冻土地基, 随着道面宽度的增加, 跑道地基稳定性降低, 道面宽度每增加1%, 地基0℃等温线约下降0.17%, 地基融土核最高温约上升0.46%, 道中地基融化深度约加深0.19%, 但当道面宽度超过35 m时, 道中地基融化深度趋于平稳; 相对于道中地基温度场, 道肩受道面宽度的影响较小, 当道面宽度超过25 m时, 其地基融化深度趋于平稳; 道中地基融化深度表达式相关系数为0.988 6, 相对误差在1%以内。      

沥青路面车辙病害的成因与防治

车辙是沥青路面表面形成的沿轮迹方向大于10mm的纵向带状凹陷。按车辙深度的不同分为轻、重两个等级,损坏的计量按长度计算．并按0．4m的影响宽度换算为损坏面积。轻度车辙辙槽浅,深度在10～15mm之间：重度车辙辙槽深,深度在15mm以上。     

激光雷达距离成像精度改进方法

成像激光雷达是一种有源成像系统,使用脉冲激光发射器和面阵接收器产生3D距离图像,具有广范围精度和宽范围门等特性。文中通过静态弥散宽度对图像模糊的影响分析,提出了时间分辨信号分布模型和改进范围精度分析方法。通过激光雷达测距系统试验分析表明,利用该模型得到的最佳静态弥散宽度对距离成像精度有显著影响,能够在白天强背景环境下对室内和室外的10 m和1700 m目标进行距离成像。在室内成像中,当静态弥散宽度为43.4μm时获得的最优测距精度为0.06 m,在室外成像中,获得了测距误差为0.25 m的分米级3D图像。该方法能够有效地提高激光雷达成像距离和成像精度,从而提高交通流测距和测速的精度。     

黄土地区刚-柔性桩复合地基的承载机理

为了揭示湿陷性黄土地区刚-柔性桩复合地基的荷载传递机理, 开展了现场原型试验, 分析了桩身和桩间土的应力在不同荷载与深度下的变化规律; 通过与刚性单桩的对比, 总结了刚-柔性桩复合地基的桩土相互作用特点; 结合已有文献, 分析了湿陷性黄土地区刚-柔性桩复合地基与软土地区刚-柔性桩复合地基在力学表现上的差异。分析结果表明: 湿陷性黄土地区刚-柔性桩复合地基中柔性桩的主要作用是挤密桩间土, 消除其湿陷性, 试验场地处理后湿陷系数基本小于0.015;由于柔性桩的挤密作用, 桩间土的承载力得以充分发挥, 刚性桩的荷载传递能力得以增强; 软土地区柔性桩的荷载分担率一般大于桩间土, 由于黄土的承载力较高及柔性桩与桩间土的模量比小, 湿陷性黄土地区桩间土的荷载分担率稳定在26%左右, 远大于柔性桩的7%;复合地基中的刚性桩属于端承摩擦桩, 随着荷载增加, 刚性桩的荷载传递能力逐渐强化, 荷载分担率逐渐增加, 最终稳定在67%左右; 刚性桩荷载传递能力的增强并不利于刚-柔性桩复合地基承载能力的充分发挥, 在设计时需要充分考虑对纯摩擦桩有效桩长的影响, 以及对端承摩擦桩桩端土体承载能力的影响。