CN109002606A - 磁悬浮飞轮密封系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮飞轮密封系统设计方法，该方法以质量最小为优化目标，以最大等效应力、最大变形、一阶自由共振频率、30s时刻瞬态最大温差和稳定性安全系数为约束条件，利用有限元软件ANSYS分别建立密封系统的静力学参数化模型、动力学参数化模型、瞬态热分析参数化模型和屈曲分析参数化模型，并将四个参数化模型导入多学科优化软件iSIGHT，设置设计变量和约束变量的取值范围，利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，经多步计算后得到密封系统最优质量Mo。该方法在同时进行结构静力学、动力学、屈曲稳定性计算的基础上，考虑焊锡热应力和热变形失配，使密封系统性能更加合理，可用于各类惯性执行机构密封系统设计，可推广至各类薄壁密封系统的设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性执行机构密封系统的设计方法，尤其涉及一种磁悬浮飞轮密封系统设计方法。
背景技术
磁悬浮飞轮采用磁悬浮轴承支撑，消除了机械摩擦磨损，具有主动振动控制和振动抑制功能，被认为是未来航天器姿态控制的理想执行机构。磁悬浮飞轮密封系统主要有密封罩和底座组成，其功能如下：(1)为飞轮转子提供一个真空环境，减小地面工作时的风阻损耗；(2)免受电磁颗粒污染和宇宙射线干扰；(3)为飞轮转子提供一个洁净的工作环境；(4)防止磁性颗粒和导电颗粒进入飞轮内部，造成电路短路和磁路短路。现阶段动量轮壳体密封形式通常采用橡胶圈密封和焊接密封。
现阶段飞轮密封系统通常采用橡胶圈密封和焊接密封。橡胶圈密封方案应用广泛，但橡胶圈密封会因老化而漏气，导致密封罩内部真空度降低，致使磁悬浮飞轮功耗增加。焊接密封的方式避免了上述情况的发生，而高温熔化焊接超高的焊接温度使得飞轮结构尺寸发生变化，影响动量轮材料性能和其内部电子元器件性能，甚至会损坏其内部电子元器件。此外高温焊接不可重复拆卸安装，对飞轮的后续研发带来诸多不便。授权专利201310517682.9所述的飞轮低温焊接真空密封装置，采用低温锡焊密封方式，克服了高温焊接密封的缺点。经真空度测试实验验证低温锡焊密封的密封性能明显提高，放气量非常少，是一种密封方便，性能可靠，且可多次密封的密封方式。
授权专利201310517682.9所述的飞轮低温焊接真空密封装置，密封系统主要由密封罩、底座、卡带、密封带和焊锡组成，通过卡带位于密封罩与底座之间，密封带包住卡带与密封罩之间的缝隙和卡带与底座之间的缝隙，利用熔化焊锡填满缝隙，实现飞轮系统的真空密封。由于焊锡熔点低，密封过程中温升很小，不影响飞轮内部结构尺寸及元器件。而且焊锡可重复熔化，非常便于拆卸，有利于重复密封和飞轮系统地面机械装配调试。密封系统作为磁悬浮飞轮的关键部件，对飞轮系统影响如下：(1)地面测试时，密封系统内部为真空，密封罩受一个大气压的静载荷，密封罩应力过大，可能导致密封罩失效；(2)密封罩在一个大气压的作用下，过大的变形可能导致密封罩与飞轮内部零部件接触，影响飞轮正常使用；(3)密封系统一阶共振频率过低，转子转频会引起密封系统共振，影响飞轮系统输出力矩精度；(4)焊接密封过程中，焊锡从熔化状态慢慢凝固，固化过程中，焊锡内部过大的温差，可能导致热应力和热变形失配，降低了密封性能；(5)密封罩为薄壁结构，在内部真空和外部一个大气压的约束条件下，易发生屈曲失稳。
所以，密封系统的性能影响磁悬浮飞轮系统输出力矩精度、结构可靠性和稳定性，必须对其进行详细设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁悬浮飞轮密封系统设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，该方法以密封系统质量最小为优化目标，包括步骤：
(1)设定设计变量密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2的初始值；
(2)利用有限元软件ANSYS建立密封系统静力学有限元模型，并保存静力学模型APDL命令流文本文件s.txt，计算并将密封系统质量M、最大等效应力σmax和最大变形δmax，输出至静力学计算结果文本文件response_s.txt；
(3)利用有限元软件ANSYS建立密封系统动力学有限元模型，并保存动力学模型APDL命令流文本文件d.txt，计算并将密封系统质量M和一阶自由共振频率fd1，输出至动力学计算结果文本文件response_d.txt；
(4)利用有限元软件ANSYS建立密封系统瞬态热分析有限元模型，并保存瞬态热分析模型APDL命令流文本文件t.txt，计算并将密封系统质量M和30s时刻瞬态最大温差ΔTmax，输出至瞬态热分析计算结果文本文件response_t.txt；
(5)利用有限元软件ANSYS建立密封系统屈曲分析有限元模型，并保存屈曲分析模型APDL命令流文本文件b.txt，计算并将密封系统质量M和稳定性安全系数ni，输出至屈曲分析计算结果文本文件response_b.txt；
(6)将文本文件s.txt、response_s.txt、d.txt、response_d.txt、t.txt、response_t.txt、b.txt和response_b.txt导入优化集成软件中，并设定连续设计变量密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2的取值范围，同时设定约束变量最大等效应力σmax、最大变形δmax、一阶自由共振频率fd1、30s时刻瞬态最大温差ΔTmax和稳定性安全系数ni的约束范围；
(7)利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反复将文本文件s.txt、d.txt、t.txt和b.txt导入ANSYS软件对密封系统进行计算，同时输出其对应的文本文件response_s.txt、response_d.txt、response_t.txt和response_b.txt；
(8)判断优化过程是否收敛；
(9)若优化不收敛，根据优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计变量的赋值，并转到步骤(2)；
(10)若优化收敛，输出密封系统最优质量Mo。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，考虑了密封罩焊接过程中的热应力和热失配，有利于提升密封性能；在全域范围内同时对密封系统各项性能进行设计，与现有的密封系统各项性能单独设计方法相比，更有利于密封系统进一步优化，提升密封系统性能。(3)利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元软件ANSYS，对磁悬浮飞轮密封系统进行优化，节省了设计时间，提高了设计效率。用于大惯量磁悬浮飞轮、大型磁悬浮控制力矩陀螺、机械飞轮、以及机械控制力矩陀螺等惯性执行机构密封系统的设计，其设计思想可作为各类薄壁密封系统的设计。
附图说明
图1为本发明实施例的磁悬浮飞轮密封系统的三维结构示意图；
图2为本发明实施例的密封罩、底座、卡带、密封带和焊锡连接示意图；
图3为本发明实施例的密封罩的剖视图；
图4为本发明实施例的设计流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其较佳的具体实施方式是：
该方法以密封系统质量最小为优化目标，包括步骤：
(1)设定设计变量密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2的初始值；
(2)利用有限元软件ANSYS建立密封系统静力学有限元模型，并保存静力学模型APDL命令流文本文件s.txt，计算并将密封系统质量M、最大等效应力σmax和最大变形δmax，输出至静力学计算结果文本文件response_s.txt；
(3)利用有限元软件ANSYS建立密封系统动力学有限元模型，并保存动力学模型APDL命令流文本文件d.txt，计算并将密封系统质量M和一阶自由共振频率fd1，输出至动力学计算结果文本文件response_d.txt；
(4)利用有限元软件ANSYS建立密封系统瞬态热分析有限元模型，并保存瞬态热分析模型APDL命令流文本文件t.txt，计算并将密封系统质量M和30s时刻瞬态最大温差ΔTmax，输出至瞬态热分析计算结果文本文件response_t.txt；
(5)利用有限元软件ANSYS建立密封系统屈曲分析有限元模型，并保存屈曲分析模型APDL命令流文本文件b.txt，计算并将密封系统质量M和稳定性安全系数ni，输出至屈曲分析计算结果文本文件response_b.txt；
(6)将文本文件s.txt、response_s.txt、d.txt、response_d.txt、t.txt、response_t.txt、b.txt和response_b.txt导入优化集成软件中，并设定连续设计变量密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2的取值范围，同时设定约束变量最大等效应力σmax、最大变形δmax、一阶自由共振频率fd1、30s时刻瞬态最大温差ΔTmax和稳定性安全系数ni的约束范围；
(7)利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反复将文本文件s.txt、d.txt、t.txt和b.txt导入ANSYS软件对密封系统进行计算，同时输出其对应的文本文件response_s.txt、response_d.txt、response_t.txt和response_b.txt；
(8)判断优化过程是否收敛；
(9)若优化不收敛，根据优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计变量的赋值，并转到步骤(2)；
(10)若优化收敛，输出密封系统最优质量Mo。
所述的优化集成软件为多学科优化设计软件iSIGHT。
所述的优化算法为序列二次优化算法或遗传算法等二阶可导优化算法。
所述的最大等效应力σmax≤材料许用应力[σ]的一半。
所述的最大变形δmax≤2mm。
所述的密封系统一阶自由共振频率fd1约束范围为，fd1≥1.5倍磁悬浮飞轮转子最高转频fω。
所述的30s时刻瞬态最大温差ΔTmax约束范围为，△Tmax≤5℃。
所述的稳定性安全系数ni≥5。
本发明的磁悬浮飞轮密封系统的设计方法，利用有限元软件ANSYS分别建立密封系统的静力学参数化模型、动力学参数化模型、瞬态热分析参数化模型和屈曲分析参数化模型，并将四个参数化模型导入多学科优化软件iSIGHT，设置设计变量和约束变量的取值范围，利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，经多步计算后得到密封系统最优质量Mo。使密封系统设计结构更加合理。
本发明的原理是：利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元软件ANSYS对密封系统进行优化设计，以密封系统质量M为优化目标，以最大等效应力σmax和最大变形δmax、一阶自由共振频率fd1、30s时刻瞬态最大温差ΔTmax和稳定性安全系数ni多学科要求同时作为约束条件，针对设计变量采用二阶可导优化算法，对密封系统进行优化设计。
优化设计模型包括设计变量、可行域、约束变量、约束范围、目标函数部分。
设计变量：密封系统可优化部分包括密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2。设计变量X写成向量形式如下，
X＝(t1，R，h，C，B，t2) (1)
可行域：设计参数的取值范围，根据工程需要设计变量X的取值范围如下，
约束变量：包括最大等效应力σmax和最大变形δmax、一阶自由共振频率fd1、30s时刻瞬态最大温差ΔTmax和稳定性安全系数ni。约束变量G写成向量形式如下，
G＝(σmax，δmax，fd1,ΔTmax，ni) (3)
约束变量范围：主要从静力学、动力学、热力学、屈曲稳定性方面考虑。(1)磁悬浮飞轮在地面测试时，密封系统内部为真空，外部承受一个大气压的静压载荷，导致密封罩内部存在一定的应力。为确保密封罩具有足够强度，要求其最大等效应力σmax不大于密封罩材料许用应力[σ]的一半。(2)密封罩在一个大气压的作用下，变形量过大，可能导致密封罩与飞轮内部零部件接触，影响飞轮正常运行，要求最大变形δmax不超过2mm。(3)飞轮工作时，转子处于较高转速，密封系统一阶共振频率过低，会使飞轮转频激起密封系统共振，从而影响飞轮系统输出力矩精度。为确保飞轮工作转速范围内密封系统无共振发生(安全系数在1.5以上)，要求一阶自由共振频率fd1不低于1.5倍磁悬浮飞轮转子最高转频fω。(4)焊接密封过程中，焊锡从熔化状态慢慢凝固，固化过程中，焊锡内部过大的温差，可能导致热应力和热变形失配，要求30s时刻瞬态最大温差ΔTmax不超过5℃。(5)密封罩为薄壁结构，在内部真空和外部一个大气压的约束条件下，易发生屈曲失稳，要求稳定性安全系数ni不低于5。约束变量范围的数学表示如下，
目标函数：以密封系统质量M最小为优化目标，写成函数形式如下，
M＝minf(t1，R，h，C，B，t2) (5)
将密封系统的静力学参数化模型、动力学参数化模型、瞬态热分析参数化模型和屈曲分析参数化模型导入多学科优化软件iSIGHT，并设置好设计变量可行域、约束范围和目标函数，选择二阶可导的优化算法搜索方向和迭代步长。经若干步运算后，得到密封系统最优质量Mo。
至此，该磁悬浮飞轮密封系统设计完毕。
本发明与现有设计方法相比的优点在于：
(1)本发明考虑了密封罩焊接过程中的热应力和热失配，有利于提升密封性能。
(2)在全域范围内同时对密封系统各项性能进行设计，与现有的密封系统各项性能单独设计方法相比，更有利于密封系统进一步优化，提升密封系统性能。(3)利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元软件ANSYS，对磁悬浮飞轮密封系统进行优化，节省了设计时间，提高了设计效率。
具体实施例：
设计对象为磁悬浮飞轮密封系统，图1为针对的磁悬浮飞轮密封系统三维结构示意图，图2为针对的密封罩、底座、卡带、密封带和焊锡连接示意图，图3为密封罩的剖视图。
图中标号：1为飞轮定子芯轴，2为飞轮转子，3为飞轮底座，4为飞轮密封罩，5为卡带，6为密封带，7为焊锡。
设计方法以密封系统质量最小为优化目标，其设计流程图如图4所示，具体设计步骤如下：
(1)设定设计变量密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2的初始值。
(2)利用有限元软件ANSYS建立密封系统静力学有限元模型，并保存静力学模型APDL命令流文本文件s.txt，计算并将密封系统质量M、最大等效应力σmax和最大变形δmax，输出至静力学计算结果文本文件response_s.txt。
(3)利用有限元软件ANSYS建立密封系统动力学有限元模型，并保存动力学模型APDL命令流文本文件d.txt，计算并将密封系统质量M和一阶自由共振频率fd1，输出至动力学计算结果文本文件response_d.txt。
(4)利用有限元软件ANSYS建立密封系统瞬态热分析有限元模型，并保存瞬态热分析模型APDL命令流文本文件t.txt，计算并将密封系统质量M和30s时刻瞬态最大温差ΔTmax，输出至瞬态热分析计算结果文本文件response_t.txt。
(5)利用有限元软件ANSYS建立密封系统屈曲分析有限元模型，并保存屈曲分析模型APDL命令流文本文件b.txt，计算并将密封系统质量M和稳定性安全系数ni，输出至屈曲分析计算结果文本文件response_b.txt。
(6)将文本文件s.txt、response_s.txt、d.txt、response_d.txt、t.txt、response_t.txt、b.txt和response_b.txt导入优化集成软件中，并设定连续设计变量密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2的取值范围，同时设定约束变量最大等效应力σmax、最大变形δmax、一阶自由共振频率fd1、30s时刻瞬态最大温差ΔTmax和稳定性安全系数ni的约束范围。
(7)利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反复将文本文件s.txt、d.txt、t.txt和b.txt导入ANSYS软件对密封系统进行计算，同时输出其对应的文本文件response_s.txt、response_d.txt、response_t.txt和response_b.txt。
(8)判断优化过程是否收敛。
(9)若优化不收敛，根据优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计变量的赋值，并转到步骤(2)。
(10)若优化收敛，输出密封系统最优质量Mo。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其特征在于：该方法以密封系统质量最小为优化目标，包括步骤：
(1)设定设计变量密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2的初始值；
(2)利用有限元软件ANSYS建立密封系统静力学有限元模型，并保存静力学模型APDL命令流文本文件s.txt，计算并将密封系统质量M、最大等效应力σmax和最大变形δmax，输出至静力学计算结果文本文件response_s.txt；
(3)利用有限元软件ANSYS建立密封系统动力学有限元模型，并保存动力学模型APDL命令流文本文件d.txt，计算并将密封系统质量M和一阶自由共振频率fd1，输出至动力学计算结果文本文件response_d.txt；
(4)利用有限元软件ANSYS建立密封系统瞬态热分析有限元模型，并保存瞬态热分析模型APDL命令流文本文件t.txt，计算并将密封系统质量M和30s时刻瞬态最大温差ΔTmax，输出至瞬态热分析计算结果文本文件response_t.txt；
(5)利用有限元软件ANSYS建立密封系统屈曲分析有限元模型，并保存屈曲分析模型APDL命令流文本文件b.txt，计算并将密封系统质量M和稳定性安全系数ni，输出至屈曲分析计算结果文本文件response_b.txt；
(6)将文本文件s.txt、response_s.txt、d.txt、response_d.txt、t.txt、response_t.txt、b.txt和response_b.txt导入优化集成软件中，并设定连续设计变量密封罩厚度t1、密封罩截面半径R、弧高度h、凹凸弧分割比例C、卡带宽度B和底座厚度t2的取值范围，同时设定约束变量最大等效应力σmax、最大变形δmax、一阶自由共振频率fd1、30s时刻瞬态最大温差ΔTmax和稳定性安全系数ni的约束范围；
(7)利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反复将文本文件s.txt、d.txt、t.txt和b.txt导入ANSYS软件对密封系统进行计算，同时输出其对应的文本文件response_s.txt、response_d.txt、response_t.txt和response_b.txt；
(8)判断优化过程是否收敛；
(9)若优化不收敛，根据优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计变量的赋值，并转到步骤(2)；
(10)若优化收敛，输出密封系统最优质量Mo。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其特征在于：所述的优化集成软件为多学科优化设计软件iSIGHT。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其特征在于：所述的优化算法为序列二次优化算法或遗传算法等二阶可导优化算法。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其特征在于：所述的最大等效应力σmax≤材料许用应力[σ]的一半。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其特征在于：所述的最大变形δmax≤2mm。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其特征在于：所述的密封系统一阶自由共振频率fd1约束范围为，fd1≥1.5倍磁悬浮飞轮转子最高转频fω。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其特征在于：所述的30s时刻瞬态最大温差ΔTmax约束范围为，ΔTmax≤5℃。
8.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮密封系统设计方法，其特征在于：所述的稳定性安全系数ni≥5。
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| CN103527786A (zh) * | 2013-10-28 | 2014-01-22 | 北京石油化工学院 | 飞轮低温焊接真空密封装置 |
| CN104899399A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-09-09 | 北京石油化工学院 | 可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法 |
-
2018
- 2018-07-13 CN CN201810771507.5A patent/CN109002606A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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