超临界转速旋转圆盘热弹性耦合动力学和减振机理研究

为了避免剧烈振动变形，旋转圆盘通常在亚临界低转速区工作，而实际应用旋转圆盘的转速越高其工作效率越高。作为在高速极端条件下具有多场耦合特征的复杂系统，对超临界转速旋转圆盘及其硬盘磁头、锯切工件、制动片等附属结构热弹性和减振问题的研究具有重要理论价值和科学意义。本项目拟包含驱动电机涡流发热、支承轴轴承摩擦发热、圆盘与其附属结构摩擦发热以及圆盘表面热对流，考虑温度场和应变场的耦合、附属结构对旋转圆盘的移动载荷作用，建立带有初始变形的高速旋转圆盘及其附属滑块结构热弹性耦合多体动力学模型，在临界和超临界转速区，揭示热对流和各热源对圆盘固有频率、稳定性和稳态振幅的影响，阐明圆盘与其附属结构间摩擦引起的热弹性失稳与参数失稳耦合现象，研究圆盘内外缘温升和热弹性阻尼对振动变形和系统失稳的抑制作用，通过内外缘温升控制和热弹性阻尼优化实现超临界转速旋转圆盘的减振和平稳运行，为旋转圆盘应用领域的发展奠定理论基础。

本项目按照原定研究内容和计划，结合高速旋转圆盘热弹性耦合多体动力学理论体系内在逻辑和旋转圆盘工程应用实际，植根于机械动力学基础理论，先后开展了高速旋转圆盘内缘温升和热流对其动力学特性的影响关系、带有周期波动扭矩和转速耦合效应的旋转弹性连接盘动力学特性、作用有内外缘温升和传递扭矩的旋转弹性连接盘弹塑性应力、微驱动器高速旋转微圆盘的热弹性阻尼能量耗散特性分析与优化、运动悬臂滑块载荷系统激励的高速旋转圆盘振动响应、圆盘驱动器中热传递/空气流和旋转圆盘振动的耦合动力学特性、作用有滑块载荷及其界面摩擦热的高速旋转圆盘内缘温升控制减振和镇定机理等基础理论研究，完成了项目原定内容和指标。针对发动机/液力变矩器间的旋转弹性连接盘，项目研究分别从扭矩载荷和转速波动及其耦合效应、内外缘温升热应力和弹塑性应力角度提出了弹性连接盘撕裂破坏问题的新见解，给出了避免破坏的机械动力学解决途径。针对微驱动器中的高速旋转微圆盘，项目研究通过圆盘内外径和厚度几何尺寸优化，获得了最大化旋转圆盘热弹性阻尼，可为微驱动器MEMS性能评估和产品设计提供理论参考，同时为热弹性阻尼优化实现高速旋转圆盘的减振和平稳运行指出了方向。针对计算机硬盘驱动器中的高速旋转圆盘，项目研究从圆盘/滑块系统耦合动力学角度，揭示了硬盘驱动器读写数据振动噪声的机械动力学成因，对驱动器降噪和性能提升具有指导意义。基于气/热/固多物理场耦合动力学模型，项目研究揭示了流体粘性耗散所致空气动力学内部热流对高速旋转圆盘温度分布和动力学特性的影响关系，提供了以往高速旋转圆盘径向温度升高实验观察的合理解释。项目研究给出了利用内缘温升合理控制使得作用有滑块载荷及其界面摩擦热的高速旋转圆盘顺利突破临界转速平稳运行的新思路、新方法，对高速旋转圆盘动力学基础理论和应用技术推广都具有重要意义和潜在价值。基于这些研究成果，本项目已在国际期刊发表论文6篇，其中已SCI检索5篇，投稿SCI收录国际期刊评审中论文2篇。先后与英国萨赛克斯大学Chatwin教授和利物浦大学Ouyang教授合作开展高速旋转圆盘动力学研究，共同发表SCI论文3篇。通过本青年科学基金项目的资助，项目负责人得到了科研水平和创新能力的充分培养和提升，先后入选2012年吉林省高校优秀青年科研人才春苗培育计划、2012年吉林省第三批拔尖创新人才第三层次人选、2014年吉林大学优秀青年教师培养计划。