圆弧齿榫接结构应力的数值计算与分析

对两圆柱体接触问题和平面接触问题进行分析,探讨了接触区应力的收敛性.对某枞树形圆弧齿榫接结构的接触区应力进行了数值计算和分析.利用有限元软件ANSYS进行了接触分析,对比了梯形齿和圆弧齿榫接结构的应力结果,并采用光弹实验进行了验证.研究结果认为,与梯形齿榫接结构相比,圆弧齿榫接结构使接触应力、第三主应力和等效应力等降低.在此基础上,对圆弧齿榫接结构进行了优化分析,通过优化进一步降低了榫接结构的应力水平.      

航空圆弧端齿的齿根双圆弧结构设计及优化

针对航空发动机圆弧端齿结构齿根单圆弧连接区域存在比较严重的应力集中问题,提出一种圆弧端齿结构齿根双圆弧设计方法,以改善齿根附近的应力集中现象。文中推导建立了双圆弧设计的基本公式,算例对比分析表明双圆弧设计的齿根最大等效应力比单圆弧设计降低了5.5%。在此基础上,根据EGD-3应力标准和格里森圆弧端齿设计准则,建立圆弧端齿结构的优化模型,采用精英保留遗传算法的优化方法对圆弧端齿进行了优化设计分析,优化结果表明双圆弧优化设计的齿根最大等效应力比单圆弧设计降低了12.3%,同时改善了齿根附近的应力分布状态。     

榫连结构接触面几何构形对接触区应力分布的影响

为研究并降低传统榫连结构接触区边缘的高应力梯度,对几种典型接触形式展开了有限元分析,计算结果表明不同接触形式将导致不同的接触应力分布;针对某单齿燕尾形榫连结构,建立了一系列不同网格密度的有限元模型计算分析接触区的应力集中程度,并以此提高接触应力的求解精度;并进一步改进了接触面的几何形式,分析表明二维条件下圆弧/直线的接触形式改善了传统平面/平面接触的应力集中,圆弧/圆弧的接触形式将使接触应力进一步降低.      

某型燃气轮机枞树形榫接结构多齿形参数优化分析

在某型燃气轮机改型设计中发现,涡轮采用的3齿枞树形榫接结构应力集中严重,为避免榫齿出现裂纹、榫头断裂等故障,并降低峰值应力,延长使用寿命,对其形状进行优化设计.分析发现,相同的齿形参数无法获得满意的优化结果,因此,对每对榫齿采用不同的齿形参数进行2维参数化建模.通过试验设计方法,选取对最大当量应力影响较大的参数作为设计变量并进行优化.在满足约束的条件下,获得优化设计结果.结果表明:优化使最大当量应力降低19.93％,各齿应力分布更加均匀.该设计方法确实能提升榫接结构的优化潜力,对其设计与优化具有一定参考价值.     

涡轮盘关键部位多圆弧设计及多变量优化

为得到质量最低且满足设计准则要求的涡轮盘结构形式，研究了多圆弧过渡对涡轮盘关键部位应力的影响。提出了双圆弧和三圆弧结构设计方案并推导了几何关系，为过渡圆弧的改进与优化提供了理论上的支持。通过有限元计算，获得了多圆弧结构参数对涡轮盘应力的影响规律。基于ANSYS Workbench优化平台及参数化建模技术，筛选了优化设计变量，以涡轮盘总质量最小为优化目标，以等效应力为约束对涡轮盘关键部位进行了多变量优化。结果表明:经过优化设计，两个关键部位的最大应力分别降低662%和11.40%，涡轮盘的质量减小0.16%。本文的研究结果为涡轮盘的多圆弧设计和工程应用提供了有益参考。      

榫接结构接触面几何形式对接触应力的影响

针对接触边界计算精度问题,结合光弹试验,提出了适用于榫接结构接触区的网格划分策略.在此基础上,进一步分析齿形结构和齿形角度对榫接结构接触面接触应力的影响,并应用于梯形齿结构进行验证,认为合理的梯形齿几何结构能够有效地降低接触应力,并且不对其他危险部位造成影响,设计合理的梯形齿相比于圆弧齿具有一定的优势.以梯形齿接触角度为设计变量进行的优化结果表明：接触边界最大等效应力下降25.54%.     

基于圆弧端齿连接结构的风扇转子装配技术研究与应用

航空发动机圆弧端齿连接结构不同于止口形式的连接,可以用现有的成熟装配技术控制转子同轴度,目前圆弧端齿连接转子的同轴度和初始不平衡量缺少有效的控制手段。本文分析了圆弧端齿连接结构对风扇转子装配的影响规律,创建了圆弧端齿连接结构转子的装配控制算法,突破了国内该结构转子在装配优化控制上的空白,降低了人工成本,提高了装配效率,并制定了风扇转子装配优化控制新方案,降低了转子初始不平衡量及进气机匣振动水平。综上,本文从装配角度解决了某小涵道比发动机进气机匣振动问题,取得了巨大的装配优化效果,具有较高的实用价值。     

基于坐标关联法的榫连接结构优化设计

为解决结构优化设计过程中由于几何尺寸干涉而导致的优化过程中断问题,提出并建立一种适于优化设计的结构建模方法——坐标关联法.将该方法应用于航空发动机榫连接结构的优化设计,整个优化过程顺畅,连续完成几何建模790次,未出现由于几何尺寸改变而发生的结构模型无法生成的问题.优化设计结果表明:优化前后的榫连接结构形状虽然变化不大,但最大应力点——榫槽喉部最大应力降幅达19.1%,应力水平降低明显,且结构造型符合工程要求.      

涡轮盘/榫整体结构优化设计方法

考虑到榫联接和轮盘子午面在结构设计时的相互影响,针对典型的枞树型榫联接,提出了通用的榫联结构/轮盘子午面分步优化设计、总体协调的涡轮盘/榫整体结构优化设计方法.基于ANSYS优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘/榫整体结构总质量最小为优化目标,以涡轮盘/榫联结构关键应力为约束,建立了涡轮盘/榫整体结构优化设计的数学模型.通过对某型发动机涡轮盘和榫联结构设计方案进行结构优化设计,在满足所有几何约束及强度要求的条件下,二齿及三齿盘/榫结构优化后总质量都有明显降低,说明涡轮盘/榫整体结构优化设计方法的合理性;且二齿盘/榫结构的总质量较三齿盘/榫结构明显减小,榫槽底部最大第一主应力也明显降低.任意榫齿数可选的通用涡轮盘/榫整体结构优化设计方法及平台可适用于不同涡轮的结构设计,具有较强的工程实用性.      

涡轮盘双轴对称异形孔结构建模与优化

针对发动机轮盘孔结构的应力集中问题,以某高压涡轮盘安装边螺栓孔为研究对象,建立了涡轮盘非圆异形孔数学模型.该异形孔由双轴对称的8段圆弧光滑连接而成,并满足螺栓装配的要求.使用该异形孔模型取代了原螺栓孔.以有限元分析为基础对异形孔进行了优化,得到该轮盘安装边多圆弧异形螺栓孔的最佳形状.结果表明:优化后的多圆弧异形螺栓孔边第1主应力最大值降低了14.8%,孔边应力集中程度显著下降.设计参数灵敏度分析结果表明,与主圆弧相连的过渡圆弧的尺寸对孔边应力的影响较为显著,在设计中应予以重视.      

多排钉金属连接接头有限元分析方法研究

解决飞机结构中接头的应力集中问题是延长飞机结构寿命的关键。采用有限元方法对多钉结构的金属连接件的载荷分配进行了研究,并对铆接接头的细节进行应力分析,给出了接头各细节处的应力分布,从而确定了各铆钉孔边危险点处的应力集中系数。同时探讨了台阶形搭接接头的几何构形对铆钉传递载荷和钉孔边危险点处应力集中系数的影响,对其部分几何构形参数进行了优化设计,得到有效降低孔边应力的构形方案。该方案对接头结构的疲劳性能分析具有一定的参考价值。     

转捩对平流层飞艇外形优化的影响

采用梯度算法优化了平流层飞艇外形以减少气动阻力,目标函数飞艇总阻力系数通过求解Navier-Stokes方程获得.优化过程中采用了SSTκ-ω转捩湍流模型和Realizable κ-ε全湍流模型求解绕流流场,采用大涡模拟方法详细分析了获得的两种飞艇外形的气动性能和特点,并且比较了两种湍流模拟方法的流场求解对梯度法优化的目标函数以及飞艇形状特点的影响.结果表明:是否考虑转捩对优化的结果有明显的影响,考虑转捩优化方案的气动性能明显优于全湍流流动求解优化方案.采用转捩模型的优化由于层流区域的存在改变了飞艇尾部的形状,从而获得了尾部分离区较小的飞艇外形轮廓.      

胶-螺混合连接结构强度分析及影响因素研究

为深入分析胶-螺混合连接结构强度及影响因素,利用ABAQUS平台建立胶-螺混合连接三维渐进损伤模型,采用界面层损伤判据及退化方法来模拟胶层的损伤破坏。首先,将胶-螺混合连接结构强度分别与胶接结构、螺接结构强度进行对比,详细阐释胶-螺混合连接结构与胶接结构承载机理及胶接区应力分布形式;然后,分析讨论钉头形式及宽径比对混合连接结构强度和损伤形式的影响。结果表明：胶-螺混合连接结构强度优于胶接结构和螺接结构,并得到了可有效提高结构强度的钉头形式及最佳宽径比。     

Structural design and optimization for vent holes of an industrial turbine sealing disk

Severe stress concentration occurs around circular vent holes of an industrial turbine sealing disk. This paper investigates the structural design and optimization for the vent holes to effectively reduce the maximum von Mises stress and improve the fatigue life of the turbine sealing disk. An efficient integrated design optimization method is presented based on a novel non-circular vent hole design method in combination with a variable dimension sub-model method, a self-developed modeling and meshing tool, and the Multi-Island Genetic Algorithm. The proposed non-circular vent hole is biaxial symmetric and consists of four smoothly connected arcs. The variable dimension sub-model method is utilized to obtain accurate results in the fields around the vent holes within the computationally acceptable time. The modeling and meshing tool is developed by using the Tcl/Tk Scripts to rebuild the geometry and generate the high-quality hexahedral mesh automatically. The Multi-Island Genetic Algorithm is adopted to solve the studied constrained optimization problem. After optimization, the maximum von Mises stress is reduced from 1305.644 MPa to 963.435 MPa, and the fatigue life is increased from 3091 cycles to 30,297 cycles. The results show that the proposed design and optimization methods can significantly improve the performance of the turbine sealing disk along with the remarkable drop in stress concentration.     

并联H桥DC/DC变换器软开关技术研究

与传统的Buck电路相比,基于H桥并联的DC/DC变换器可以实现电压的双极性输出和故障时的冗余控制,非常适合用于大功率电动机正反转控制的场合。分析了并联H桥型DC/DC变换器的结构组成和双脉宽调制(PWM)模式。为了降低双脉宽调制下H桥型DC/DC变换器的开通和关断损耗,对无源软开关技术进行了分析,重点探讨了RCD缓冲电路和最小应力缓冲电路之间的性能差异,指出最小应力软开关技术可以获得更好的软开关性能,并就将其用于双脉宽调制下的并联H桥DC/DC变换器进行了仿真研究。仿真结果表明:最小应力软开关技术用于双脉宽调制下并联H桥DC/DC变换器时,可以实现开关管的零电压开通和零电流关断。     

复合材料层合板单排多钉双剪联接接头强度分析

双剪联接接头是复合材料结构连接设计的主要环节。针对T300/KH304复合材料层合板的单排多钉双剪联接接头,考虑到孔间距离对接头强度的影响,用三维有限元模型对接头的静强度进行数值分析。以应力分析为基础,采用Yamada-Sun准则预测了该层合板结构双剪联接接头的破坏载荷。试验结果表明,该接头的破坏模式主要呈现为挤压破坏,并伴随有净拉伸和剪切破坏模式;接头的位移——载荷曲线近似为直线;Yamada-Sun准则可以较好地预测该结构的破坏载荷;所预测的接头的破坏载荷及破坏模式,试验结果与数值分析结果比较一致。     

双后掠布局无人机翼面结构设计与分析

对双后掠布局无人机进行了结构设计,确定了翼面结构方案,并利用有限元软件MSC.Nastran进行应力变形分析,结果达到设计要求;同时为了节省计算周期,以布局外形参数设置为驱动参数,使用CAD软件Catia为结构建立了参数化模型,并将其作为结构优化的输入文件,通过Patran完成优化设置,用Nastran完成结构质量优化,这些工作为气动结构一体化设计奠定了基础。