轴向预紧端齿连接转子的动力特性分析

建立了用有限元子结构模态综合法进行轴向预紧端齿连接转子动力特性分析的公式系统。重点阐述如何考虑端齿及变轴力的影响, 如何获得变轴力端齿梁元的性质矩阵和建立变轴力端齿梁元及系统的运动方程。      

涡轴发动机端齿连接结构接触状态分析

为了研究涡轴发动机端齿连接结构接触状态变化的发生机理及规律,根据涡轴发动机端齿连接的结构特征、受力分析和考虑滑移的切向接触受力原理,确定了端齿连接结构齿面接触状态的影响因素;并通过有限元分析方法,研究了齿面接触状态的变化规律。计算结果表明:转速和轴向压紧力对接触状态有重要影响;转速越高,则齿面接触区域变小,接触应力和滑移距离变大;轴向压紧力越大,则齿面接触区域越大,接触应力和滑移距离也越大;而摩擦系数对接触状态的影响不明显。研究结果对端齿连接高速转子的结构设计提供了一定的技术指导。     

端齿连接转子轴向松弛力（压紧力）计算

 将端齿连接转子的零部件简化归并为４类结构，利用弹性力学、壳体理论、有限元素法及多变量函数插值技术等手段，导出各类结构轴向柔度系数的工程计算表达式，并给出离心力、气动力、热载荷及机动载荷等在各端齿接触面处引起的轴向松弛力或压紧力的计算公式。还介绍了根据本文提出的方法及公式开发的计算机程序，并给出了其应用实例     

转子分区循环对称接触应力分析

 通过光弹实验表明了端齿连接转子受力的分区循环对称性。针对这~特性建立了各循环对称分区的循环对称接触有限元应力分析方法,并利用叠加原理将各循环对称分区间过渡区化为几个小规模的循环对称问题。     

套齿连接转子简化建模及动力特性分析

在进行转子和整机计算时建立套齿结构接触模型会增加计算量，降低计算效率，直接将套齿结构省略又无法体现其刚 度特性变化对转子动力特性的影响。针对该问题，基于航空发动机单圆柱面套齿连接的结构和力学特征，建立了考虑构件间界面 接触状态的力学特征分析模型，提出了考虑套齿结构刚度随参数变化的简化建模方法，并与套齿接触模型进行了对比分析。建立 了单圆柱面套齿连接结构转子简化模型，开展了相应的转子动力特性试验，对比分析了拧紧力矩对转子模态频率的影响。结果表 明：转子简化模型与试验模型最大计算误差小于5%，证明套齿结构简化建模方法具有较高的可靠性和准确性，可为工程实践中高 效开展含套齿结构转子及整机动力学准确计算分析提供方法与参考。     

计及轴向力影响的传递矩阵精确公式

在计及轴向力作用并考虑剪切变形的情况下 ,本文对转子轴段的受力与变形状态进行了较为细致的分析 ,导出了两种不同形式的等直截面轴段传递矩阵精确公式。实例分析及其与实验结果的对比 ,不仅表明了轴向力对转子支承系统的动力特性确实存在着不宜忽略的影响 ,同时也验证了精确公式的良好准确性。     

共用支承-转子系统耦合振动分析及试验

针对带有涡轮级间共用承力框架的高功质比涡轴发动机结构系统,建立共用支承-转子系统动力学方程,探究燃气发生器转子、动力涡轮转子与共用承力框架结构系统耦合振动产生条件及振动特性。基于ANSYS有限元仿真计算了共用支承-转子系统耦合振动特性。针对涡轴发动机涡轮级间承力框架,设计了共用支承-转子系统模拟试验器,运用激振器模拟转子不平衡激励,利用试验对模拟转子动力特性的相互影响进行了定量分析。理论计算结果表明,转子支点与支承结构通过力平衡和位移协调联系在一起,之间存在刚度耦合项,进而使共用支承-转子系统发生耦合振动。对系统振动响应仿真计算结果表明,共用支承会影响转子动力特性,不同转子不平衡激励均可激起相应转子的振动。通过试验验证了在发生耦合振动时,转子的振动响应频谱中同时包含两个转子转速频率,定义耦合影响系数,地面慢车状态两个转子相互之间的耦合影响系数分别为33%和6079%,最大连续状态分别为1278%和688%,最大起飞状态分别为1356%和581%,转子间的动力特性耦合影响大小与频率有关系。     

圆弧端齿结构设计和加工工艺研究进展与展望

圆弧端齿广泛应用于航空发动机轴系连接,研究其结构设计方法和加工工艺对分析航空发动机转子动力学特性具有重要意义。首先,分析了圆弧端齿结构设计理论,建立了圆弧端齿基本结构参数表述图表,对比了参数化设计方法的异同。其次,介绍了齿面应力仿真分析和试验验证情况,列举了新型结构设计实例,揭示了结构设计技术存在的问题并提出了解决途径。然后,采用弹性平均法解释了圆弧端齿的定心原理,介绍了定心精度分析、装配累积误差分析研究现状和应用情况。最后,评述了圆弧端齿加工工艺方法、加工设备、检测设备、检测方法,指出了当前存在的问题和可能的研究方向。研究结果表明:针对转子设计需求,应系统考虑圆弧端齿结构对转子动力学特性的影响;如果能够解决铣加工精度问题,采用通用设备加工圆弧端齿更具有成本优势;针对精细化检测的迫切需求,需要加快对新型检测方法的研究和探索。     

圆弧端齿对涡轮螺栓连接影响的数值研究

为验证某型民用航空发动机涡轮总体设计方案的可行性和安全性,以该型航空发动机涡轮的圆弧端齿连接结构为研究对象,利用有限元数值模拟方法研究了涡轮第1级盘与前轴之间采用圆弧端齿连接的设计对结构强度和疲劳失效的影响,分析了在高温及不同预紧力载荷工况下对圆弧端齿连接强度、疲劳等性能的影响规律.研究表明:该设计存在涡轮第1级盘与高压涡轮轴连接的外端齿分离而导致振动的风险,而增大预紧力可以提高螺栓连接传递荷载的能力,但螺栓孔边存在局部高应力问题.研究结果为圆弧端齿的设计方案提供了有效理论支撑和参考.     

端齿连接转子轴向预紧力的确定

在已知转子工作时各种载荷引起的轴向松弛力和压紧力的前提下，本文提出综合考虑紧度裕度、强度裕度、装配关系等多因素的轴向预紧力确定准则，并由此建立了预紧力优化的数学模型，给出了５个目标函数以满足不同的设计要求。文中还介绍了根据本文的准则及方法开发的计算机程序及其应用实例     

Characteristics and mechanisms of turboshaft engine axial compressor casing containment

To investigate the containment characteristics and mechanisms of axial compressor blade and casing in turboshaft engine, experimental and simulation research is conducted on Titanium alloy axial compressor blades and stainless steel simulator casings in this paper. Experiments for four thicknesses (from 0.8 mm to 1.4 mm) of casings are presented on high-speed spin tester. Perforation, ricochet with and without failure of the casings are obtained in test results. Three obvious bulges or dishing region are observed, petaling failure occurs in the first bulge or the third deformation region. Parabolic and elongated dimples are observed at the fracture surface. Finite Element (FE) models with calibrated Johnson-Cook material behavior law are built and analyzed by using explicit dynamic software for a better understanding on the containment behavior. Good agreement is obtained between the experimental observations and numerical predictions. The evolution of the impact force, energy absorption, temperature increase and the cracks’ propagation are analyzed. Three force peaks occur in the impact process. Energy analysis reveals that penetration condition of ricochet with failure leads to most internal energy of the casing.     

动态畸变下轴流压缩系统失稳判别的统一准则

对动态畸变条件下多级轴流压缩系统气动失稳判别进行了详细的数值分析。基于动态压缩系统模型，发展了一种动态畸变下轴流压缩系统失稳判别的统一准则。应用新准则分别对进口动态温度、动态压力及动态动力—温度组合畸变下的多级轴流压缩系统的气动稳定性进行了预测分析。通过与实验结果的定性比较，给出了相应进气条件下压缩系统可能失稳的首发级。     

跨音多级轴流压气机对突变型扰动的动态响应

基于多级轴流压气机的逐级特性详细研究了跨音多级轴流压气机对突变型温度扰动、突变型压力－温度联合扰动的动态响应和气动稳定性。同时还给出了动态扰动下多级轴流压气机失稳识别的新的预估方法。     

轴/径向耦合式球转子非接触式压电作动器的研究

本文提出了一种基于逆压电效应的轴/径向耦合式球转子非接触式压电作动器,由轴向悬浮装置及径向悬浮装置组成,且两者均可形成行波,为球转子提供悬浮力和驱动力。由于轴向悬浮装置和径向悬浮装置的工作模式可进行不同组合,使得被诱发出的声场具有不同耦合强度的悬浮和旋转驱动力,进而球转子可获得不同的悬浮和转速效果,易于对球转子进行状态控制。建立了轴向悬浮装置及径向悬浮装置的有限元模型,对定子进行了动力学分析与设计,确定了结构方案,并加工、制造了样机。通过试验得到了定子的振动参数、轴向悬浮装置的悬浮及驱动特性,结果表明轴向悬浮装置可成功的悬浮和驱动球转子。     

动态温度畸变下压缩系统稳定性模型研究

推导并建立了动态温度畸变下多级轴流压缩系统稳定性分析的理论模型，并给出了基于特征线和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ二步差分法的数值分析方法，基于级特性，模型对一三级实验压气机进行了数值分析，给出了进口动态温度畸变与稳定裕度损失及与不稳定发生时间的定量关联关系。本模型还确定了压气机失稳的首发级。