1.一种考虑摩擦热分布的机械密封不对中状态热仿真分析方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)建立具有不对中装配关系的机械密封实体模型,并进行网格划分:
分别对组成机械密封的动环和静环的实体模型进行建模,根据机械密封设计方案依次设定动环和静环的外环直径、内环直径和宽度尺寸,根据动环轴心线和静环轴心线的倾斜或偏移程度确定动环和静环之间的不对中装配关系;分别绘制动环和静环的三维实体模型并基于二者的不对中关系完成装配,赋予动环和静环各自对应材料的密度、弹性模量和泊松比物理属性,划分有限元网格;建立动环和静环各自接触端面之间的接触关系并设定其摩擦系数μ;
(2)加载结构动力学仿真边界条件:
根据工艺设计参数确定动环和静环之间轴向的压强差,将对应该压强差大小的压强值均匀加载至动环的非接触端面上并设定其方向与动环的轴心线平行且指向动环的接触端面;建立动环的内环面与地面之间的旋转运动副连接关系并设定旋转速度;设定静环的内环面为固定状态;
(3)求解结构动力学模型并获得不同动环旋转相位下接触端面之间的接触压强分布:
对有限元分析模型进行结构动力学求解,得到动环和静环的应力应变分布信息,并获得动环不同旋转相位下对应的动环接触端面和静环接触端面之间的接触压强分布结果{Pi(xi,yi,θ)};其中xi、yi、Pi分别表示动环和静环接触端面之间相接触的有限元网格节点i对应的横坐标、纵坐标和接触压强值;θ表示动环相对计算初始时刻的旋转相位;{Pi(xi,yi,θ)}则表示各节点在不同的动环旋转相位下的、包含几何空间位置信息的接触压强值构成的集合;
(4)针对结构动力学模型求解结果,统计并获得最后1个动环旋转周期内动环接触端面和静环接触端面之间的平均接触压强分布构成的集合 其中, 为接触端面上横坐标和纵坐标分别为xi、yi的有限元网格节点i在最后1个动环旋转周期内的所有动环旋转相位下对应的接触压强的平均值; 则为所有接触端面上有限元网格节点对应的接触压强平均值 所构成的集合;
(5)建立机械密封热仿真分析模型,进行网格划分和边界条件加载:
导入步骤(1)绘制的机械密封三维实体模型,赋予动环和静环各自对应材料的密度、热导率和比热容物理属性,划分有限元网格;分别在动环接触面和静环接触面上施加生热源项;分别在动环和静环的外环面及非接触端面上加载对流传热边界条件;
(6)求解热仿真分析模型并获得稳态热仿真分析结果:
对机械密封热仿真分析模型进行稳态计算,并获得温度分布和热流密度分布热分析结果。
2.根据权利要求1所述的考虑摩擦热分布的机械密封不对中状态热仿真分析方法,其特征在于:步骤(1)中所述的绘制动环和静环的三维实体模型并基于二者的不对中关系完成装配,机械密封装配体采用x-y-z笛卡尔坐标系且机械密封的轴向为z方向。
3.根据权利要求1所述的考虑摩擦热分布的机械密封不对中状态热仿真分析方法,其特征在于:步骤(1)中所述的根据动环轴心线和静环轴心线的倾斜或偏移程度确定动环和静环的不对中装配关系,体现为动环轴心线和静环轴线互相平行或动环轴心线和静环轴心线呈现一定的夹角。
4.根据权利要求1所述的考虑摩擦热分布的机械密封不对中状态热仿真分析方法,其特征在于:步骤(3)中所述的对有限元分析模型进行结构动力学求解,求解的时长为机械密封动环旋转周期的不小于2的整数倍,且最后1个动环旋转周期内每个求解时间步的步长均相等。
5.根据权利要求1所述的考虑摩擦热分布的机械密封不对中状态热仿真分析方法,其特征在于:步骤(5)中所述的分别在动环接触面和静环接触面上施加生热源项,包括以下子步骤:(a)根据步骤(4)获得的最后1个动环旋转周期内动环接触端面和静环接触端面之间的平均接触压强分布构成的集合 基于接触端面上有限元网格单个节点i在最后1个动环旋转周期内的所有动环旋转相位下对应的接触压强的平均值 计算其单位面积摩擦热功率的分布qi(xi,yi):式(1)中,qi(xi,yi)为单位面积摩擦热功率的分布(W/m2);μ为动环和静环各自接触端面之间的摩擦系数; 为接触端面上横坐标和纵坐标分别为xi、yi的有限元网格节点i在最后1个动环旋转周期内的所有动环旋转相位下对应的接触压强的平均值(Pa);w为动环旋转角速度(rad/s);ri(xi,yi)为接触端面上有限元网格节点i距离端面圆心处的距离(m),即:式(2)中,xi、yi分别为接触端面上有限元网格节点i的横坐标和纵坐标值;
(b)不断重复步骤(a)获得接触端面上所有有限元网格节点对应的摩擦热功率qi(xi,yi)值并组成集合{qi(xi,yi)},得到包含几何空间位置信息的摩擦热功率分布;
(c)将包含几何空间位置信息的摩擦热功率分布集合{qi(xi,yi)}以热量源项的形式分别加载至机械密封热仿真分析模型的动环接触端面和静环接触端面上。
6.根据权利要求1所述的考虑摩擦热分布的机械密封不对中状态热仿真分析方法,其特征在于:步骤(5)中所述的分别在动环和静环的外环面及非接触端面上加载对流传热边界条件,其中对流传热边界条件包含机械密封外部流体介质的温度值以及外部流体介质与机械密封的外环面和非接触端面之间的对流传热系数值。