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)順利進行，有必要對密封裝置的密封機理、泄漏形式和密封優(yōu)化設(shè)計展開深入研究。本文根據(jù)端面密封裝置的密封機理和流體泄漏過程，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行為三者之間的相互耦合，考慮尺度效應(yīng)對密封問題的影響，對密封端面幾何特性、接觸特性、泄漏孔道連通特性和流體流動特性等問題進行了研究

2、。論文主要研究內(nèi)容及學(xué)術(shù)貢獻如下：
　?。?）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自仿射分形表面進行了數(shù)學(xué)表征；給出了表面是否具有分形特征的檢測方法和分形維數(shù)測量方法；利用傅里葉級數(shù)變換法對各向同性的自仿射分形表面進行了數(shù)值仿真，模擬了真實表面的復(fù)雜、隨機、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)測壓緊力、表面粗糙度和表面瑕疵等因素對密封性能的影響。
　　（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）對接觸控制方程進行了求解；仿真模型與理論模型給出的結(jié)果基本一致，驗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)、拓撲無序和形狀無規(guī)的異質(zhì)復(fù)合特點；指出流體在不同尺寸的流道中適用不同的流動方程，當(dāng)泄漏孔道主要集中在小尺寸級別時，需要考慮流體微流動的影響；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、積流量表達式和有效滲流率表達式；利用渝滲理論，建立了密封泄漏量計算模型。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)對端面密封裝置密封性能的影響，并給出了密封件設(shè)計的基本思路。
　?。?）在密封泄漏實驗研究方面，為驗證密封泄漏理論模型的正確性以及真空環(huán)境對密封性能的影響，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)，分別進行了常溫常壓下墊片式端面密封泄漏率檢測實