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三维粗糙表面的表征及其气体密封性能研究

作　者: 任晓
导　师: 吴承伟
学　校: 大连理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 静密封阀门粗糙表面形貌计算机模拟平均流动模型密封性能
分类号: TH134
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

阀门是石油、化工、电站、长输管线、造船、核工业、各种低温工程、宇航以及海洋采油等国民经济各部门不可缺少的流体控制设备。随着阀门使用条件的日益严酷,其耐久性和可靠性越来越被人们所重视。例如,在航天、航空发动机中使用的高压静密封阀门,往往要适应大温度跨度,宽压力范围以及高真空等严酷环境。因此,在满足各方面高参数新要求的同时,如何做到更好地提高密封性能、可靠性及降低成本成为阀门行业密切关注的问题。对于静密封阀门的研制,除了必须遵守有关标准规定合理地进行宏观结构设计、确保工艺质量外,寻找密封接触表面的微观粗糙形貌与泄漏量的关系也成了提高其密封性能的重要渠道。本文从三维粗糙表面形貌的表征入手,介绍了现阶段比较先进的两种微纳米表面测量技术—扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM),并对几种不同加工方式所得的粗糙表面进行了实际测量。随机粗糙表面的计算机生成是研究表面微观形貌功能效应的基础。本文在分析归纳前人有关三维表面形貌的数字模拟研究成果的基础上,利用基于AR模型的数字滤波技术,通过计算机模拟生成具有指定自相关函数的粗糙表面,用自相关函数来控制以获得不同加工纹理特征的高斯分布表面。粗糙表面形貌对气体密封效果的影响是本文重点研究的问题。文中以气体在微纳米粗糙间隙的流动理论为分析工具,模拟一对密封副的局部模型,利用计算机模拟表面产生的数据,采用平均流动模型进行编程计算,得出纹理方向、表面粗糙度均方根等表征参数在最小名义气体膜厚不断变化时对流量因子和粗糙面承载力的影响,总结出一般的变化规律,从而实现三维粗糙表面形貌与气体密封性能之间的联系。本论文所得的结论为设计满足不同密封条件的密封表面提供理论依据和实现方法,同时也为密封面的精密加工提供一定的参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 选题工程背景  9-10
  1.2 粗糙表面形貌的测量及数字模拟方法的进展  10-14
    1.2.1 粗糙表面形貌的测量方法概况  10-13
    1.2.2 粗糙表面形貌数字模拟方法的发展  13-14
  1.3 粗糙表面形貌对接触表面密封性能影响的研究  14-15
    1.3.1 平均流动模型的提出及其在粗糙表面润滑中的应用  14-15
    1.3.2 气体密封平均流动模型的应用和数值计算  15
  1.4 本文主要内容  15-17
2 粗糙表面形貌的测量  17-25
  2.1 SEM测试技术  17-20
    2.1.1 SEM工作原理介绍  17-19
    2.1.2 SEM测试不同加工方法所得的三维表面形貌  19-20
  2.2 AFM测试技术  20-24
    2.2.1 AFM工作原理介绍  20-22
    2.2.2 AFM测试不同加工方法所得的三维表面形貌  22-24
  2.3 两种测试技术优缺点对照  24-25
3 随机粗糙表面的计算机生成  25-43
  3.1 表面特征基本理论  25-26
  3.2 高斯分布粗糙表面的模拟  26-42
    3.2.1 基本理论  26-30
    3.2.2 高斯分布粗糙表面的模拟方法  30-32
    3.2.3 几种典型自相关函数及其粗糙表面的模拟结果  32-42
  3.3 本章小结  42-43
4 粗糙表面形貌对气体密封的影响  43-60
  4.1 不可压缩平均流动模型简介  43-46
  4.2 可压缩气体在静密封间隙中的流动特性研究  46-54
    4.2.1 模型的提出和压力流量因子的推导  46-49
    4.2.2 压力流量因子的求解过程  49-52
    4.2.3 粗糙表面气体密封间隙流动的数值模拟  52-54
    4.2.4 两平行粗糙表面间隙流动的气体流量  54
  4.3 气体静密封阀门预紧力分析  54-57
    4.3.1 粗糙峰接触压力计算  54-55
    4.3.2 气膜平均承载力计算  55-56
    4.3.3 粗糙面总承载力分析  56-57
  4.4 阀门泄漏量算例分析  57-58
  4.5 本章小结  58-60
结论  60-62
参考文献  62-65
附录A 符号索引  65-66
附录B 不同膜厚比和纹理方向对应的φ_X值  66-67
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  67-68
致谢  68-69

三维粗糙表面的表征及其气体密封性能研究

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