变载荷工况下轴承表面局部滑移特性主动调控方法研究

针对变载荷工况下高压承载区变化引起混合滑移轴承系统润滑失效问题，提出一种通过动态改变轴承表面滑移区，从而改善润滑的新方法：适应外部载荷变化引起的轴承高压承载区的改变，基于电润湿理论，通过滑移区分布的在线主动调控，实现轴承系统整体润滑性能显著提高。本研究首先基于水气的稳定疏水理论，分别利用化学水浴生长法和粒子掩蔽刻蚀的方法制备了ZnO纳米柱和Si纳米柱两种疏水结构，通过对制备工艺的研究，实现了粗糙结构柱径和高度的可控制备。通过接触角、滚动角、弹跳性能对所制备的疏水结构进行多维度的疏水性能表征，表明其良好的静态和动态润湿性能以及一定的承压能力。采用化学掩膜刻蚀法制备微米级表面结构，并使用水热法制备氧化亚铜疏水层。所制备的结构表面接触角可以达到135°，证明了氧化亚铜具有良好的疏水性能。为达到超疏水的性能要求，采用激光刻蚀法进行表面微结构的制备，以获得尺寸更小的表面微纳米复合结构，并利用表面产生的氧化铜与铜基底的归中反应来制备氧化亚铜疏水层。激光刻蚀后的表面接触角可达152°，滚动角最低只有6°，且在水中也能够形成稳定的气膜，具有优异的超疏水性能。表面微米级周期结构形貌对表面润湿性能的影响研究。数值仿真和激光刻蚀实验的结果均表明，固液两相间的实际接触面积越小，表面的疏水性能就越好。表面微结构高度是保证液滴在表面上维持Cassie态稳定的必要条件。通过紫外固化胶在ZnO纳米结构的填充实验，对比水和紫外固化胶两种液体的填充过程中的受力情况，得出水可以在长径比大于1：8的ZnO纳米结构表面呈Cassie状态。通过电场调控液滴在粗糙结构的润湿状态，探索润湿状态可逆转变的可行性，实现了液体在各组结构表面润湿状态的不完全可逆转变：ZnO纳米结构表面实现转变的电压范围为0~90v，接触角变化范围为102°~146°；Si纳米柱构表面实现转变的电压范围为0~100v，接触角变化范围为89°~150°，为不同润湿状态影响界面滑移特性的研究提供可控的实验条件。 2100433B

针对变载荷工况下高压承载区变化引起混合滑移轴承系统润滑失效问题，提出一种通过动态改变轴承表面滑移区，从而改善润滑的新方法：适应外部载荷变化引起的轴承高压承载区的改变，基于电润湿理论，通过滑移区分布的在线主动调控，实现轴承系统整体润滑性能显著提高。研究表面滑移区域大小、位置、分布方式影响润滑性能的作用机制，为复杂混合滑移表面设计提供理论依据；研究表面物理化学及微观形貌特征与疏水性失稳的关系，指导稳定疏水滑移表面的制备；研究部分润湿条件下微观粗糙表面复杂三相接触线影响电润湿电场边缘效应的机理和规律，为表面润湿性转变的可逆实现提供理论基础和控制方法；研究金属内曲面可逆润湿表面复合功能膜层制备工艺，为可逆润湿转变实现提供有效制备方法。本项目的研究，将为可动态调控的混合滑移轴承表面的制备建立较为完备的理论技术基础，为滑移减阻和电润湿提供新认识，为降低润滑流体温升提高轴承系统综合性能提供一种有效方法。

局部减薄是弯头常见的缺陷，但国内外对此类缺陷的研究主要针对直管，对弯头局部减薄的研究少有文献报道。本文通过详细的有限元计算和理论分析，研究了在内压和弯矩作用下局部减薄对弯头极限承载能力的影响，以及内压作用下多局部减薄的相互干涉效应和弯矩作用下直管对弯头极限载荷的加强作用，并进行了部分实验验证，得到了以下研究成果：

1.用有限元方法对内压作用下局部减薄弯头的极限载荷进行了系统地分析和计算，得出局部减薄弯头的极限压力与局部减薄的直管不同，弯头的极限压力不仅取决于局部减薄大小，还与局部减薄位置和弯曲半径有关，如采用局部减薄直管的计算方法评定弯头，则会得出不安全或过于保守的结果；同时减薄宽度对极限载荷的影响也不可忽略。在有限元分析的基础上给出了局部减薄弯头极限压力的计算公式，公式计算结果与有限元计算和实验结果都相当吻合并偏安全，计算公式可以实际应用于局部减薄弯头的安全评定，补充了该项研究的空白。

2.通过有限元分析，研究了在内压下多局部减薄之间的相互干涉效应，研究表明多局部减薄的相互影响不仅与间距有关，还与减薄深度有关。指出减薄深度较浅时，轴向局部减薄间距大于2倍壁厚，双局部减薄的极限载荷与单个局部减薄的极限载荷基本相同；当减薄深度较深，轴向局部减薄间距大于4倍壁厚时，双局部减薄的极限载荷与单个局部减薄的极限载荷基本相同，补充了现有研究的不足。

3.通过有限元计算，研究了相连直管对弯头极限弯矩的加强作用，指出与弯头相连的直管会使弯头的极限弯矩增大，弯曲半径不同时，弯头极限载荷增加量不同。当相连直管长度大于3倍管径时，直管对弯头的强化作用不再增加。该项研究补充了直管对弯头加强作用研究的不足。

4.通过有限元分析详细研究了局部减薄对弯头极限弯矩的影响，得出面内弯矩作用下局部减薄弯头极限弯矩的大小与减薄位置、减薄尺寸及弯曲半径有关。研究表明在弯矩作用下，几何非线性的影响是显著的。在内壁局部减薄和大变形有限元分析的基础上，给出面内弯矩作用下局部减薄弯头极限弯矩的计算公式，计算结果可以较准确并偏保守地反映出有限元计算结果，并与实验结果相符。该项研究填补了这一领域的空白。

当前我国核电的发展形势，核主泵的国产化自主化设计制造，需要做一些服务于设计制造的基础的科学问题的研究。本项目从反应堆冷却系统基础理论研究的角度出发，研究核主泵瞬变工况下核主泵瞬态特性及堆芯流量瞬变的研究。从系统理论的角度，提出了反应堆冷却系统核主泵启动瞬变工况下主泵瞬态特性的数学模型，建立核主泵启动无量纲转速和流量特性关系式，建立了核主泵启动总的无量纲瞬变压头、加速压头和克服摩擦的压头特性关系式，建立核主泵启动无量纲加速冷却剂转矩，加速核主泵转动部分转矩和克服冷却剂摩擦转矩特性关系式。研究了系统参数、冷却剂惯性及主泵转动惯量对主泵启动转速、流量、压头和转矩的影响。提出了反应堆冷却系统核主泵断电瞬态特性及堆芯流量的数学模型，建立了主泵断电惰转转速及流量与系统参数及主泵设计参数的无量纲关系式，研究了系统无量纲参数、冷却剂惯性及主泵转动惯量对主泵断电惰转转速及流量的影响。与秦山和大亚湾主泵断电惰转实验曲线进行了比较，包括流量和转速曲线进行了比较，亦与Yokomura发表的研究型反应堆实验泵的惰走试验结果进行比较，与Tsukamoto的试验泵启动流量、转速和压头进行了比较，结果非常吻合，证明所建立的主泵启动和断电非稳态特性关系式的正确性。上述建立的特性关系式没有采用离心泵特性关系式，上述变量全部无量纲化，对于设计新型压水堆冷却系统和核主泵均适用，不仅仅适用于压水堆冷却系统，对于水压闭环系统瞬变特性的分析亦适用。为我国核主泵及压水堆冷却系统自主设计及制造提供理论依据。 2100433B

变转速刚性旋翼作为长航时及高速等先进直升机的关键技术是直升机领域研究的重点和难点之一。刚性旋翼不同于常规铰接式和摆振柔软旋翼，旋翼载荷水平明显较高。旋翼转速的变化，带来激振频率的变化，旋翼载荷状况进一步恶化。为了降低变转速刚性旋翼载荷，本项目在基于常转速刚性旋翼载荷控制的基础上，研究基于变频液弹吸振器的变转速刚性旋翼载荷控制方法。变频液弹吸振器根据旋翼转速的变化调节液弹吸振器的固有频率，达到能在不同转速下降低旋翼载荷的目的。在建立变频液弹吸振器动力学模型基础上，耦合旋翼系统动力学模型，建立其多体系统动力学模型，分析变频液弹吸振器在典型状态下（不同转速）的载荷控制能力。通过旋翼－吸振器载荷实验验证基于变频液弹吸振器的变转速刚性旋翼载荷控制方法的有效性。