一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法及系统，包括：获取在深海环境下的工作状态下的活塞缸的三维有限元模型；获取三维有限元模型中的活塞在多个不同支撑位置下的缸筒径向形变量，获取动密封圈的局部二维有限元模型，获取在所有支撑条件下每个动密封圈与活塞缸之间的接触应力以及平均接触应力，获取每个动密封圈的目标支撑力，获取活塞与缸筒之间的摩擦力

【技术实现步骤摘要】
一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及能耗预测
，具体涉及一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法及系统
。

技术介绍

[0002]大型活塞式浮力调节系统作为大型水下滑翔机的核心动力装置，浮力调节系统中的浮力调节装置的活塞摩擦力变化规律会直接影响滑翔机的总体能耗
。
随着滑翔机下潜深度增大
、
滑翔机自身体积与重量增加，浮力调节系统所需要调节的重浮力范围也随之增大
。
大型水下滑翔机所搭载的活塞式浮力调节装置活塞口径大且缸筒壁厚度薄，在加工与运输过程中容易造成活塞缸存在初始几何缺陷
(
如锥度
、
椭圆度等
)。
在深海环境下，作用在大口径活塞缸上的高静水压力会放大活塞缸的初始缺陷，进而使活塞缸的摩擦力发生变化，故为准确预测浮力调节系统能耗，需要计算塞式浮力调节系统摩擦力
。
[0003]针对活塞缸摩擦力的计算问题，主要是通过有限元计算方法来预测摩擦力，然而有限元计算方法会由于大口径活塞缸与密封圈尺度之间的巨大差异，使得在预测摩擦力时难以捕捉活塞缸形变对于密封圈压缩量的影响，从而不能准确反映出缸体形变下活塞缸摩擦力变化；尤其在外载荷对于活塞缸的影响时，导致其无法反应外界压力变化对于活塞缸摩擦力的影响，从而导致最终的摩擦力预测结果不准确，进而影响浮力调节系统能耗的预测
。
[0004]因此，需要提供一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法及系统以解决上述问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法及系统，通过将三维有限元方法与二维有限元方法结合，来对深海压力作用下的活塞缸摩擦力进行计算，以解决现有的方法无法反应外界压力变化对于活塞缸摩擦力的影响，从而导致最终的摩擦力预测结果不准确的问题
。
[0006]本专利技术的一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法采用如下技术方案：包括：
[0007]获取在深海环境下的工作状态下的活塞缸的三维有限元模型；
[0008]设定动密封圈对活塞缸的初始支撑压力，将所述初始支撑压力加载在三维有限元模型的活塞缸上，并获取三维有限元模型中的活塞在多个不同支撑位置下的缸筒径向形变量；
[0009]获取活塞缸内的每个动密封圈的局部二维有限元模型；
[0010]根据每个支撑条件下的活塞缸径向形变量对每个局部二维有限元模型施加载荷，并获取每个支撑位置下的每个局部二维有限元模型对应的动密封圈与活塞缸之间的接触应力，以及所有支撑位置下每个动密封圈与活塞缸之间的平均接触应力；
[0011]根据每个平均接触应力与初始支撑压力的差值，获取目标支撑力；
[0012]根据目标支撑力，获取各个动密封圈与活塞缸之间的正压力，根据各个动密封圈与活塞缸之间的正压力以及不同动密封圈与活塞缸之间对应的摩擦系数，获取活塞与缸筒之间的摩擦力
。
[0013]优选的，获取在深海环境下的工作状态下的活塞缸的三维有限元模型，包括：
[0014]构建活塞缸的三维几何模型；
[0015]对三维几何模型材料赋予
、
网格划分以及加载载荷，得到活塞缸的三维有限元模型
。
[0016]其中，载荷为深海环境下浮力调节系统的活塞缸所受静水压力
。
[0017]优选的，根据每个支撑条件下的活塞缸径向形变量采用多载荷步的方式对每个局部二维有限元模型进行加载
。
[0018]优选的，多载荷步为三个载荷步；
[0019]第一个载荷步：对动密封圈的局部二维有限元模型施加预压缩量；
[0020]第二个载荷步：对动密封圈的局部二维有限元模型施加法向压力，压力大小等于密封圈两侧的压力差；
[0021]第三个载荷步：令活塞缸在竖直方向移动，模拟活塞缸的径向形变
。
[0022]优选的，判断差值是否满足预设的误差条件包括：
[0023]获取每个平均接触应力与初始支撑压力的差值，与对应的平均接触应力的比值；
[0024]当比值大于或者等于预设的比值阈值时，则满足误差条件；
[0025]当比值小于预设的比值阈值时，则不满足误差条件
。
[0026]优选的，当差值与平均接触应力的比值，大于或者等于比值阈值时，则将此时的平均接触应力作为目标接触应力；
[0027]当差值与平均接触应力的比值，小于比值阈值时，则将平均接触应力作为支撑压力并加载在活塞缸上，并重新获取所有支撑位置下局部二维有限元模型对应的动密封圈与活塞缸之间的接触应力，以及重新获取的平均接触应力；
[0028]将重新获取的平均接触应力与初始支撑压力作差得到目标差值；
[0029]直至目标差值与重新获取的平均接触应力的比值大于或者等于比值阈值时，则将此时重新获取的平均接触应力作为目标接触应力
。
[0030]优选的，获取各个动密封圈与活塞缸之间的正压力，包括：
[0031][0032]式中，
P
i
表示第
i
个动密封圈与活塞缸之间的正压力；
[0033]L
i
表示第
i
个动密封圈轴向截面外圆曲线；
[0034]B
i
表示第
i
个动密封圈的在活塞运动方向上的截面宽度；
[0035]σ
i
表示第
i
个动密封圈与活塞缸之间的目标支撑力；
[0036]x
表示微元长度
。
[0037]优选的，获取活塞与缸筒之间的摩擦力，包括：
[0038]获取每个动密封圈与活塞缸之间的正压力，以及每个动密封圈与活塞缸之间对应的摩擦系数的乘积，并将所有乘积加和得到活塞与缸筒之间的摩擦力
。
[0039]优选的，获取活塞缸在动密封圈处的局部二维有限元模型，包括：
[0040]根据活塞上的动密封圈几何尺寸参数，获取活塞缸在动密封圈处的局部二维几何模型；
[0041]利用二维有限元方法获取所述局部二维几何模型的局部二维有限元模型
。
[0042]本专利技术还公开一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算系统，包括：
[0043]三维有限元模型构建模块，用于采用三维有限元方法获取在深海环境下的工作状态下的活塞缸的三维有限元模型；
[0044]第一参数计算模块，用于设定动密封圈对活塞缸的初始支撑压力，将所述初始支撑压力加载在三维有限元模型的活塞缸上，并获取三维有限元模型中的活塞在多个不同支撑位置下的缸筒径向形变量；
[0045]二维有限元模型构建模块，用于获取活塞缸内的每个动密封圈的局部二维有限元模型；
[0046]第二参数计算模块，用于根据每个支撑条件下的活塞缸径向形变量对每个局部二维有限元模型施加载荷，并获取每本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法，其特征在于，包括：获取在深海环境下的工作状态下的活塞缸的三维有限元模型；设定动密封圈对活塞缸的初始支撑压力，将所述初始支撑压力加载在三维有限元模型的活塞缸上，并获取三维有限元模型中的活塞在多个不同支撑位置下的缸筒径向形变量；获取活塞缸内的每个动密封圈的局部二维有限元模型；根据每个支撑条件下的活塞缸径向形变量对每个局部二维有限元模型施加载荷，并获取每个支撑位置下的每个局部二维有限元模型对应的动密封圈与活塞缸之间的接触应力，以及所有支撑位置下每个动密封圈与活塞缸之间的平均接触应力；获取每个平均接触应力与初始支撑压力的差值，判断所述差值是否满足预设的误差条件，当满足时，则将满足时的平均接触应力作为每个动密封圈对应的目标支撑力，当不满足时，则将此时的平均接触应力作为加载在三维有限元模型的支撑压力，并重新获取个动密封圈与活塞缸之间的目标平均接触应力，直至目标平均接触应力与初始支撑压力的差值满足预设的误差条件，并将满足误差条件的目标平均接触应力，作为每个动密封圈对应的目标支撑力；根据目标支撑力获取各个动密封圈与活塞缸之间的正压力，根据各个动密封圈与活塞缸之间的正压力以及不同动密封圈与活塞缸之间对应的摩擦系数，获取活塞与缸筒之间的摩擦力
。2.
根据权利要求1所述的一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法，其特征在于，获取在深海环境下的工作状态下的活塞缸的三维有限元模型，包括：构建活塞缸的三维几何模型；对所述三维几何模型材料赋予
、
网格划分以及加载载荷，得到活塞缸的三维有限元模型
。
其中，载荷为深海环境下浮力调节系统的活塞缸所受静水压力
。3.
根据权利要求1所述的一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法，其特征在于，根据每个支撑条件下的活塞缸径向形变量采用多载荷步的方式对每个局部二维有限元模型进行加载
。4.
根据权利要求3所述的一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法，其特征在于，多载荷步为三个载荷步；第一个载荷步：对动密封圈的局部二维有限元模型施加预压缩量；第二个载荷步：对动密封圈的局部二维有限元模型施加法向压力，压力大小等于密封圈两侧的压力差；第三个载荷步：令活塞缸在竖直方向移动，模拟活塞缸的径向形变
。5.
根据权利要求1所述的一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法，其特征在于，判断差值是否满足预设的误差条件，包括：获取每个平均接触应力与初始支撑压力的差值，与对应的平均接触应力的比值；当所述比值大于或者等于预设的比值阈值时，则满足误差条件；当所述比值小于预设的比值阈值时，则不满足误差条件
。6.
根据权利要求5所述的一种活塞式浮力调节系统摩擦力计算方法，其特征在于，当所述差值与平均接触应力的比值，大于或者等于比值阈值时，则将此时的平均接触应力作为
目标接触应力；当所述差值与平均接触应力的比值，小于比值阈值时，则将平均接触应力作为支撑压力并加载在活塞缸上，并重新获取所有支撑位置下局部二维有限元模型对应的动密封圈与活塞缸之间的接触应力，以及重新...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨驰野，刘静，潘光，宋保维，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：