基于反求的动压滑动轴承形状优化设计

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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、高速化和高性能方向发展,对于滑动轴承性能的要求也不断提高。对动压径向轴承的研究工作开始深入到轴承的承载力、稳定性、温升、功耗、以及侧漏流速等流体动力特性以及其对三维楔形间隙的要求和影响规律等深层次问题。为了获得优良性能的动压滑动轴承,本文提出了一种基于反求的动压滑动轴承形状优化设计方法,对反设计方法、形状几何参数化及形状优化进行了研究。本课题来源于国家自然基金项目,主要的研究工作及成果如下:①对大量的有关动压轴承形状反求设计或者优化设计文献进行了研究和分析,选用快速寻优算法—遗传算法作为有效的动压轴承形状优化设计算法。②分析轴承动压润滑原理,建立了动压轴承静特性和动特性三维数值仿真模型。采用先进的现代数学软件MATLAB编写了有限差分程序,分别对动压轴承进行了静特性和动特性响应分析。通过对比文献结果,从而证明了数值仿真程序的准确性、有效性和可行性。③应用CFD软件FLUENT和COMSOL Multiphysics对具有通用膜厚方程的动压轴承建立有限元数学模型,并进行了静特性仿真分析,得出了动压滑动轴承压力场分布、油泄和功率损失。通过对比CFD软件与数值算法计算结果,从而验证了通用膜厚方程理论的正确性和数值算法的可行性。④利用通用泛函型线理论建立油膜厚度方程,以承载力和油膜压力为目标,以遗传算法为反求算法,通过矩阵变换或者积分法转换油膜厚度的三维空间,通过增加油膜方程离散点构建可变维数设计空间的三维反求模型,对理想轴承油膜分布进行了反求设计,从而获得性能优越的动压轴承的轮廓线方程,应用实例分析证明了动压轴承的反求设计方法的准确性性和可行性;为了提高轴承的稳定性能,以失稳角速度为优化目标,以反求设计的结果为初始设计变量,以承载力和最小油膜厚度为限制条件,优化设计出在某工况下稳定性最好的轴承型线方程,从而使动压轴承的临界失稳转速提高了33.45%,为动压滑动轴承的设计提供理论依据和数据参考。
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