Содержание к диссертации
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ГЕРМЕТИЧНОСТИ И МОДЕЛЕЙ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД В ТОРЦЕВЫХ
ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ УПЛОТНЕНИЯХ 11
Анализ существующих методов расчета герметичности торцевых осесимметричных
уплотнений 11
Анализ современных математических моделей и программ! ых средств для расчета
течения вязких сред в щелевых каналах 14
Анализ современных сеточных методов моделирова1 шя течения жидких сред в узких щелях 17
Анализ способов уменьшения погрешности начальных данных для численного
расчета утечек в торцевых осесимметричных уплотнениях 22
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕЧЕНИЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА УТЕЧЕК В ТОРЦЕВЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ УПЛОТНЕНИЯХ 27
Разработка математической модели течения рабочей среды в юрцевых
осесимметричных уплотнениях 27
расчет карты давлений рабочей среды в соединении на основе метода конечных элементов 39
Расчет утечек рабочей среды и первоначальная оценка погрешности их измерения....45
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОЛНИСТОСТИ И ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОРЦЕВЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ УПЛОТНЕНИЙ 47
Методика численного нахождения минимальной зоны 61
Оценка погрешности численного расчета параметров волнистости отдельного профиля 76
Оценка влияния наклона общей базы отсчета прибора по отношению к средней
Описание пакета программ для трехмерного анализа отклонений формы и волнистости поверхностей вращения 95
Набор двухмерных параметров отклонения формы и волнистости, измеряемых ПК.. 96
Набор трехмерных параметров отклонений формы и волнистости, измеряемых ПК. 99
Системные требования 100
Подготовка ПК к работе и процесс измерения Ошибка! Закладка не определена.
Экспериментальное тестирование программного комплекса 109
Методика измерения и расчета параметра Was для торцевой поверхности
Описание разработанного программного пакета 115
Сравнение результатов экспериментальных вычислений с помощью разработанной модели и программного комплекса с результатами аналитических вычислений для уплотнений с гладкими рабочими поверхностями 119
Модель волнистости поверхности 121
Сравнительный анализ величин утечек, получаемых экспериментальным расчетом с учетом волнистости рабочих поверхностей и получаемых аналитически на основе метода среднего зазора 123
Исследование зависимости величины утечек от параметров волнистости рабочих поверхностей уплотнения 127
Исследования зависимости величины утечек от упругой деформации волнистости рабочих поверхностей 139
Разработать математическую модель течения вязкой жидкости в торцевых осесимметричных соединениях, учитывающую влияние реальной топографии (волнистости и шероховатости) рабочих поверхностей.
Разработать методические основы, алгоритмы и комплекс программ для параметрического анализа волнистости рабочих поверхностей торцевых осесимметричных соединений с целью использования его результатов в модельных экспериментах. Для повышения точности численного исследования разработать оценки погрешности расчета параметров волнистости и способы ее минимизации.
Провести вычислительный эксперимент с использованием разработанных алгоритмов и комплексов программ для исследования
На основе результатов численных экспериментов с использованием МКЭ получены зависимости для расчета утечек рабочей среды через соединение, учитывающие влияние топографии поверхности.
Разработаны методики и алгоритмы для расчета профильных и топографических параметров отклонения формы и волнистости торцевых и боковых поверхностей осесимметричных изделий (в том числе аналогов параметров по 180-4287, ГОСТ 2789-73 и ряда других инженерных параметров). Предложены аналитические и дискретные зависимости для расчета параметров волнистости и их вероятностных характеристик, позволяющих оценить погрешность расчета.
Разработаны методики, алгоритмы и программный комплекс для расчета параметров отклонения формы и волнистости торцевых поверхностей осесимметричных соединений.
Разработаны методики, алгоритмы и программный комплекс для расчета герметичности торцевых осесимметричных соединений.
Математическая модель течения рабочей среды и алгоритм расчета утечек в торцевых осесимметричных соединениях, учитывающие трехмерную топографию рабочих поверхностей, включая отклонение формы, волнистость и шероховатость.
Математические модели, методики и алгоритмы расчета параметров волнистости торцевых поверхностей осесимметричных изделий и оценки их вероятностных характеристик на основе их двух- и трехмерного анализа.
Зависимости для расчета утечек рабочей среды в осесимметричных торцевых соединениях с учетом трехмерной топографии рабочих
Методика нивелирования поверхности 72
Оценка влияния наклона общей базы отсчета прибора на погрешность численного
расчета параметров волнистости 78
плоскости профиля на погрешность вычисления параметра Wa 79
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРМЕТРОВ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ 89
осесимметричного изделия 111
5.1. Разработка программного пакета для автоматизированного проектирования
торцевых осесимметричных уплотнений 115
5.2 Экспериментальное исследование влияния волнистости на герметичность торцевых
осесимметричных соединений 121
5.3. Экспериментальное исследование комплексного влияния волнистости и
шероховатости рабочих поверхностей на величину утечек в соединениях 129
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 142
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ КОРРЕЛЯЦИОННОГО И РЕГРЕССИОННОГО АНАЛИЗОВ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ЗНАЧЕНИЯ ФУНКЦИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОНИЦАЕМОСТИ, ОПРЕДЕЛЯЕМОГО ШЕРОХОВАТОСТЬЮ ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ЕЕ ОБРАБОТКИ 162
ПРИЛОЖЕНИЕ В. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ПРОВОДИМЫХ С УЧЕТОМ ФУНКЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОНИЦАЕМОСТИ, ОПРЕДЕЛЯЕМОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ЕЕ ОБРАБОТКИ 164
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ КОРРЕЛЯЦИОННОГО И РЕГРЕССИОНОГО АНАЛИЗА ЗАВИСИМОСТИ УТЕЧЕК ОТ КОФФИЦИЕНТА УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИЙ ВОЛНИСТОСТИ 165
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших проблем при проектировании элементов новой техники в машиностроении, станкостроении, энергомашиностроении, в авиационной и аэрокосмической промышленности является проблема изоляции рабочих сред и обеспечения заданной степени герметичности различных аппаратов, сосудов, гидропневмоприводов, соединений трубопроводной арматуры и т.п. Для решения данной проблемы используют большое разнообразие уплотнительных устройств. Одним из наиболее характерных видов таких устройств являются осесимметричные торцевые соединения. Механизмы течения жидкой среды в них во многом определяются геометрическими и физико-механическими параметрами рабочих поверхностей. Моделирование данного процесса уже на этапе проектирования соединений позволит в значительной мере повысить их эксплуатационные характеристики и степень герметичности изделий в целом.
На сегодняшний день для расчета утечек в торцевых осесимметричных соединениях часто применяются аналитические модели, полученные на основе регрессионного анализа экспериментальных данных. Все они носят узкоспециализированный характер и могут применяться только для ограниченных условий эксплуатации соединений. Большинство математических моделей отечественных и зарубежных авторов, использующих численные методы при расчете течения рабочей среды в узких каналах, предназначены для исследования узлов трения и решения задач в условиях гарантированного зазора. Преимущественно такие модели основаны на распространении результатов, полученных для искусственно созданной топографии поверхностей, или результатов, полученных с помощью двухмерного анализа моделей единичной неровности, на задачи с реальной топографией поверхности. Существующие на сегодняшний день математические пакеты для инженерных расчетов, такие как Албуб, Ыаз^ап, ЬЭ-Оупа и другие, не позволяют проводить необходимые исследования с использованием топографических карт поверхности из-за высоких требований к вычислительным ресурсам персональных компьютеров. Отсутствие же расчетного аппарата приводит к необходимости проведения длительного и трудоемкого экспериментального подбора технологических методов изготовления и сборки для каждого нового проектируемого герметизируемого соединения, что существенно удлиняет и удорожает
подготовительную стадию производства и препятствует разработке систем САПР.
Таким образом, математическое моделирование процессов течения рабочих сред в узких каналах герметизируемых соединений с учетом реальной топографии их рабочих поверхностей является актуальной задачей во многих отраслях промышленности.
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для автоматизированного проектирования осесимметричных торцевых герметизируемых соединений с учетом реальной топографии их рабочих поверхностей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
влияния параметров волнистости на величину утечек вязкой жидкости в торцевых осесимметричных соединениях.
4. Разработать алгоритмы, методики и программное обеспечение для автоматизированного расчета утечек в торцевых осесимметричных соединениях с целью их использования при проектировании данных соединений.
В качестве объектов исследования выбраны широко применяемые в ряде отраслей промышленности торцевые осесимметрические соединения: топография их рабочих поверхностей (включая волнистость и шероховатость), физические и математические модели течения рабочей среды, степень герметичности данных устройств в целом.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается сопоставлением их с экспериментальными данными, использованием надежных численных методов и применением современной вычислительной техники.
Методы и средства исследования. В диссертационной работе применялись методы геометрического, физического, математического и компьютерного моделирования. При расчете параметров волнистости и отклонений формы использованы численное интегрирование и итерационные методы. Для оценки анализа погрешности предложенных методик использовались методы математической статистики. При моделировании процесса течения рабочей среды использовались метод конечных элементов, методы численного интегрирования, элементы линейной алгебры. Для исследования полученных результатов применялись регрессионный и корреляционный анализы.
Научная новизна представленной диссертационной работы состоит в следующем:
1. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета течения вязкой жидкости в торцевых осесимметричных соединениях,
учитывающие комплексное влияние топографии их рабочих поверхностей (волнистости и шероховатости).
На защиту выносятся: следующие результаты разработок и исследований:
поверхностей, полученные на основе регрессионного анализа результатов численного эксперимента.
4. Методика расчета и программный комплекс для автоматизированного расчета утечек в торцевых осесимметричных соединениях. Практическая значимость. Разработанный программный комплекс "МЗЩ 11опсГ\Уауе2В" зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство №2005611871) и внедрен на ФГУП Всероссийский научно- исследовательский институт метрологической службы для модернизации эталонной базы контроля отклонений формы и некруглости изделий машиностроения.
Методика расчета утечек в торцевых осесимметричных герметизируемых соединениях с использованием программного комплекса "М8Щ 11опсГ\Уауе20" внедрена на ОАО «Московский завод домашних холодильников».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: IV международной научно-практической конференции «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика» (Киев, 2004 год); двух международных конференциях «Молодые ученые - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2005 и 2007 годы); двух международных научно- технических конференциях «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк, 2005-2006 годы); IV Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2006 год); IV международной научно-практической конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» (Москва, 2006 год); научно-технической и научно- методической конференции «Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы» (МЭИ, Москва, 2006 год); VI международной конференции "Computer Aided Design and Manufacturing" (Хорватия, 2008 год).
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ [1-11], в том числе в 4 журналах, рекомендованных ВАК РФ, из них 2 по данной специальности. Получено 1 свидетельство о регистрации программного обеспечения [12].
