【正文】 則點(diǎn) 關(guān)于慣性坐標(biāo)系uPOXYZ 的矢徑 為r（）ur????0矢徑 在慣性坐標(biāo)系 OXYZ 的坐標(biāo)陣為r?（）Arr00)(式中， 為未變形時(shí)隔離扇上任意一點(diǎn) 在浮動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)??0,Txy?? 0P陣， 為變形位移坐標(biāo)陣， 為浮動(dòng)坐標(biāo)系 O1xyz 相對(duì)于慣性坐標(biāo)123,u系 OXYZ 的方向余弦陣， 為點(diǎn) 在浮動(dòng)坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)陣。（2）建立了發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，利用燃燒過(guò)程的三維數(shù)值模擬修正了燃燒放熱模型，結(jié)合傳熱、漏氣等各子模型，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)在理想工況和考慮傳熱、漏氣、點(diǎn)火時(shí)刻以及燃燒持續(xù)時(shí)間等因素影響下的性能特性，由該結(jié)果可知，其在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 以及充量系數(shù)為 的工況下，單個(gè)燃30r/燒室的指示功率為 ，其指示效率為 。n有效熱效率 是指實(shí)際循環(huán)中有效功和為得到該有效功所消耗的熱量的比i?值，即：（）1Qi???本節(jié)以有效功率和有效熱效率作為考察輸出性能的指標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性和各特定工況下的負(fù)荷特性來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。如圖 、 所示，是 在不考慮傳熱和漏24氣時(shí)，不同燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的燃燒溫度和壓力曲線。 點(diǎn)火時(shí)刻因素點(diǎn)火時(shí)刻是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要影響的又一個(gè)因素，它關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的做功沖程。但在壓縮后半程將通過(guò)壁面向缸外散熱，使壓縮終點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)溫度低于理想工況，這需要電熱塞提供更高的能量和更長(zhǎng)的點(diǎn)火時(shí)間，這影響了燃燒效率。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下燃燒室內(nèi)氣體壓力與溫度變化如圖 所示，由圖可知其燃燒過(guò)程最高溫度達(dá)到 ，排氣溫度為 ，其峰值壓力為 。15 圖 燃燒室容積轉(zhuǎn)角曲線圖 圖 試差法與有限元法計(jì)算對(duì)比轉(zhuǎn)子隔離扇組件轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中燃燒室容積變化的規(guī)律結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程當(dāng)中的進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣等四個(gè)行程，以轉(zhuǎn)子火力面?zhèn)刃途€ 的中點(diǎn)為定2l位標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，各行程所對(duì)應(yīng)的輸出軸轉(zhuǎn)角如圖 所示，燃燒室轉(zhuǎn)動(dòng)一周即可完成一個(gè)工作循環(huán)。本文中的隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需進(jìn)行徑向密封，其依靠張緊彈簧的彈性作用即可完成。通過(guò)比較三種類型的燃燒模型，發(fā)現(xiàn)零維模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)燃燒室內(nèi)燃燒過(guò)程的宏觀性能參數(shù)，其計(jì)算方法簡(jiǎn)便，成本較低，是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的模擬缸內(nèi)工作過(guò)程的燃燒模型，故本文首先以零維模型模擬隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程，計(jì)算得到缸內(nèi)工質(zhì)主要的狀態(tài)參量，并基于此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。建立工作過(guò)程熱力學(xué)模型，結(jié)合燃燒、傳熱、漏氣等子模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的性能特性進(jìn)行計(jì)算，闡明傳熱、漏氣、點(diǎn)火時(shí)刻、燃燒持續(xù)時(shí)間等對(duì)其性能的影響，并結(jié)合機(jī)械損失模型，對(duì)整機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析。燃燒室的徑向密封由簧片在彈性作用下與氣缸的緊密貼合來(lái)保證，端面密封則依靠結(jié)構(gòu)的加工精度來(lái)實(shí)現(xiàn)。另有研究者在 研究工作的基礎(chǔ)上得出了結(jié)構(gòu)、材料和流速對(duì)可燃a混合氣的火焰淬熄的特征 [24][25]。究主要集中于微米至毫米級(jí)范圍內(nèi)。圖 原理圖及其樣機(jī) [8]微 型 擺 式 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 微型對(duì)置自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和Centr Techolgy Honywl Gergia目前正在研究一種對(duì)置式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)℃AFRLbRsFcAi ，如圖 5 所示 [9]，是其結(jié)構(gòu)原理圖。86在工作時(shí)，空氣從進(jìn)氣口處進(jìn)入壓氣機(jī)，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后由噴管將空氣加速并使之在通道內(nèi)與可燃?xì)怏w充分混合，經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓管增壓后混合氣進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，由燃燒室流出的高溫氣體可以推動(dòng)渦輪做功。 micro machineV目錄第 1 章 緒論 ...............................................1 研究背景 ........................................................1 微小型動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展概述 ..........................................2 微型燃?xì)廨啓C(jī) .............................................2 微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) .......................................3 微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī) ...........................................3 微型對(duì)置自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī) ...................................4 微型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) .....................................4 微尺度燃燒研究現(xiàn)狀 ..............................................5 微尺度流動(dòng)、燃燒面臨的問(wèn)題 ...............................5 微尺度空間燃燒可行性的研究 ...............................6 簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理 ....................................7 研究目的及研究?jī)?nèi)容 ..............................................9 研究目的及意義 ...........................................9 研究?jī)?nèi)容 .................................................9第 2 章 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬 ..............11 燃燒模型綜述 ...................................................11 發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................................11 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................12 燃燒室密封設(shè)計(jì) ..........................................13 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................13 燃燒空間容積計(jì)算 ........................................14VI 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型 .................................16 燃燒室工作性能數(shù)值模擬 .........................................17 工作性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 ..............................17 初始條件及模型驗(yàn)證 ......................................18 理想工況性能模擬 ........................................18 燃燒室工作性能影響因素分析 .....................................20 傳熱損失因素 ............................................20 漏氣損失因素 ............................................21 點(diǎn)火時(shí)刻因素 ............................................22 燃燒持續(xù)時(shí)間因素 ........................................24 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失模型 .............................................24 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失 ..........................................24 機(jī)械損失模型 ............................................25 機(jī)械損失結(jié)果 ............................................25 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能計(jì)算 ...............................26 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能評(píng)價(jià)指標(biāo) ..................................26 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性 ..........................................27 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性 ..........................................28 本章小結(jié) .......................................................29第 3 章 隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動(dòng)力學(xué)研究 .......................31 剛?cè)狁詈戏蔷€性動(dòng)力學(xué)的理論模型 ................................31 彈性隔離扇的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 ..................................31 隔離扇總體坐標(biāo)系下的有限元位形描述 ......................32 隔離扇轉(zhuǎn)子剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程 ...........................34 隔離扇靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 .........................................37 隔離扇材料的選取 ........................................37 隔離扇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................37 隔離扇靜態(tài)強(qiáng)度校核 ......................................38 隔離扇轉(zhuǎn)子多柔體動(dòng)力學(xué)仿真模型 ................................40VII 多柔體動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立 ..............................40 約束與載荷施加 ..........................................40 隔離扇轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析 ......................................41 隔離扇氣缸接觸力計(jì)算 ...................................41 隔離扇運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 ........................................42 隔離扇轉(zhuǎn)子動(dòng)應(yīng)力計(jì)算 ...................................43 輸出軸扭矩特性 ..........................................46 隔離扇動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)化分析 .....................................47 隔離扇長(zhǎng)度因素 ..........................................47 隔離扇厚度因素 ..........................................48 本章小結(jié) .......................................................49結(jié)論 .....................................................511．全文總結(jié) ........................................................512．論文創(chuàng)新點(diǎn) ......................................................533．展望 ............................................................54參考文獻(xiàn) .................................................55致謝 .....................................................59VIII0第 1章 緒論 研究背景世界科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了微型機(jī)電系統(tǒng)（）研究領(lǐng)域的發(fā)展。本文針對(duì)其性能和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性展開(kāi)研究工作，具體研究?jī)?nèi)容如下：1．依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立了工作過(guò)程的熱力學(xué)模型、燃燒過(guò)程的三維數(shù)值模擬，校核了放熱模型。W10~與電池不同，微型發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃燒液態(tài)碳?xì)浠衔?，以電能或機(jī)械能方式輸出能量，其具有較大的能量密度和較穩(wěn)定的輸出功率。圖 微型燃?xì)廨啓C(jī)示意圖 [6]麻 省 理 工 學(xué) 院 微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)年加州大學(xué)伯克利分校（ ）的研究人員開(kāi)始了微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)201UBC機(jī)的研究工作，主要利用了三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)平面化的特點(diǎn)。這可證明微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究是可行的，盡管現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)在功率、效率、密封等方面尚存諸多問(wèn)題，但這些問(wèn)題皆可以通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和提高加工精度來(lái)解決。（3）邊界層流動(dòng)特性的變化宏觀流體流動(dòng)時(shí)，邊界層相對(duì)特征尺度小，其對(duì)流體流動(dòng)特性的影響非常有限，隨特征尺度變?yōu)槲⒚琢考?jí)時(shí)，邊界層因素變得越來(lái)越重要，所以邊界層中流體的流動(dòng)狀態(tài)將對(duì)流動(dòng)空間中流體的流動(dòng)特性產(chǎn)生極大影響 [19][20]。了微尺度下持續(xù)燃燒的可行性 [38]。 研究目的及研究?jī)?nèi)容 研究目的及意義微小型隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為本文提出的新型樣機(jī)，其性能特性是需要首先進(jìn)行研究的內(nèi)容。建立隔離扇轉(zhuǎn)子大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的理論模型，通過(guò)有限元分析和多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算校核隔離扇靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，分析隔離扇尺寸對(duì)其影響規(guī)律。轉(zhuǎn)