论文部分内容阅读
指尖密封是继篦齿密封与刷密封之后发展起来的一种先进密封技术，在航空发动机气路密封和主轴轴承腔密封中有极强的潜在应用前景，并因其具有的低制造成本、高密封性能特点，故而近年来备受学术界和工程界的关注。指尖密封的性能及应用效果与几何结构形状、材料特性和应用环境等有着很大的关系，其中当指尖结构设计一定时，密封的材料特性则构成了控制指尖密封系统性能的关键因素。目前指尖密封大多采用钴基合金材料制成，由于结构设计空间限制，钴基合金指尖密封综合性能的提升愈益困难，因此探索通过密封材料的选用提高指尖密封性能是近年来学术界和工程界很关注的一个事情。C/C复合材料因具有优异的摩擦学和力学性能，并且已经在很多工程领域的广泛应用，都使其成为应用于密封工程领域有竞争力的材料之一。基于这一背景，本文开展了C/C复合材料指尖密封的磨损及动态性能研究，以期利用C/C复合材料良好的自润滑特性及优异的摩擦磨损性能解决指尖密封与转子的磨损问题，从而集中精力以关注指尖密封泄漏的控制，为面向先进航空发动机发展需求探索高性能指尖密封研制的新途径。论文具体研究内容如下。 （1）为了揭示指尖密封用C/C复合材料的摩擦磨损性能及机理，设计并开展了C/C复合材料/钢摩擦副的单因素摩擦磨损试验和混合水平均匀试验，研究了C/C复合材料密度、纤维取向、载荷和速度等材料和工况因素对C/C复合材料摩擦学性能及机理的影响，建立了C/C复合材料磨损率与材料及工作参数的回归分析模型，为后续工作提供基础数据。 （2）确定C/C复合材料的材料各向异性本构模型，根据C/C复合材料的磨损率回归分析模型确定材料磨损系数，采用改进的Archard磨损模型计算C/C复合材料局部节点磨损率并确定材料表面局部磨损方向，建立基于ALE（ArbitraryLagrangianEulerian，任意拉格朗日-欧拉）自适应网格技术的磨损仿真分析模型。通过磨损试验验证仿真分析模型的正确性，并开展C/C复合材料/钢摩擦副的磨损仿真分析，为C/C复合材料指尖密封磨损数值仿真分析提供理论技术支持。 （3）在C/C复合材料/钢摩擦副磨损仿真理论基础上，针对指尖密封的结构与工作特点建立C/C复合材料指尖密封结构有限元模型与磨损模型，集成两个模型并提出指尖密封磨损仿真有限元模型与仿真流程，在此基础上研究了C/C复合材料密度、纤维取向等材料参数和压力差、转速等工作参数对指尖密封磨损几何形貌特征的影响，以及材料磨损对指尖密封位移响应和泄漏间隙的影响。 （4）针对采用有限元法进行一个时间历程中的指尖密封动态性能模拟具有的计算成本较高的问题，通过考虑指尖密封的磨损行为与泄漏间隙中气体/指尖密封相互作用耦合的机制，提出基于等效动力学模型的指尖密封时变动态性能计算模型和方法。将磨损因素影响嵌入等效动力学模型中的等效结构参数中，建立等效质量、等效结构刚度系数和接触刚度系数等与指尖磨损深度的数学拟合关系；应用可压缩气体流动的基本理论计算泄漏间隙内气膜刚度系数和阻尼系数，以解决等效动力学模型中的等效气膜参数的确定问题。应用提出的理论模型分析了C/C复合材料指尖密封时变磨损特征与动态泄漏性能，以及材料参数和工况参数对指尖密封动态磨损与动态泄漏性能的影响。 （5）开展了C/C复合材料指尖密封性能试验。通过指尖密封静态性能试验、动态性能试验、耐久试验和耐久后动态性能试验等若干不同性质的试验工作，获得了相关试验条件下指尖密封的泄漏性能和磨损性能。在与试验工况相同的条件下，采用基于耦合机制的C/C复合材料指尖密封时变动态性能分析方法计算指尖密封的泄漏与磨损，通过计算结果与试验结果的对比验证理论模型和方法的正确性。 本文研究表明，基于耦合机制的指尖密封动态性能分析方法能够有效地应用于C/C复合材料指尖密封的动态性能研究，并能够很好地揭示C/C复合材料指尖密封的磨损与动态性能，试验工作也支持了理论模型和分析方法的正确性。研究工作还表明，C/C复合材料在航空发动机密封系统中的应用，是研制高性能密封型式（包括指尖密封）的有效途径，特别对于高密度和纤维取向为0的C/C复合材料来讲，其具有的低泄漏率和高耐磨性，对于指尖密封的工程应用是很有价值的。本文的研究不仅为C/C复合材料在指尖密封中的应用进行了有益探索，而且为C/C复合材料指尖密封的动态泄漏与磨损性能分析提供了技术支持。