发动机榫头/榫槽接触问题的可靠性形状优化设计

在结构可靠性形状优化的基础上，推导了接触问题随机有限元的灵敏度解析分析表达式，给出了优化分析的基本步骤，并对某发动机燕尾型榫头／榫槽接触结构，选取榫头齿颈宽和齿面倾斜角为设计变量，以榫头最大拉伸应力、齿面挤压应力及可靠度指标为约束条件，对榫头边界上节点的最大当量应力进行了优化分析。结果表明，优化后榫头和榫槽接触面上的接触压力、当量应力及可靠度指标的分布更加均匀，验证了优化分析模型的合理性及所提出的可靠性形状优化设计方法的有效性，为榫头／榫槽的结构设计提供有价值的参考。     

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.     

配合间隙对涡轮叶片榫头/榫槽接触的影响

采用率相关晶体塑性滑移理论模型,考虑镍基单晶的晶体取向和涡轮盘/片配合间隙的影响,针对涡轮叶片榫头/榫槽的复杂接触状况,研究了温度梯度载荷和离心载荷作用下三种取向的接触应力和低周疲劳损伤。结果表明:当榫头/榫槽的配合间隙小于3.7μm时,榫头/榫槽的接触应力随间隙值突变比较明显;而间隙值大于5.4μm时影响较小。接触应力和低周疲劳寿命对第一齿间隙值比较敏感,随间隙值的波动变化范围较大;第二齿的间隙对接触应力影响也较大,但对疲劳寿命的影响只在较小间隙值下较为明显。晶体取向对榫头/榫槽接触低周疲劳寿命有比较显著的影响,表现出明显的疲劳性能各向异性。     

涡轮叶片-榫头-轮盘的蠕变与低循环疲劳寿命预测

为获得小型涡扇发动机的涡轮转子结构的预期寿命,通过对涡轮叶片-榫头-轮盘结构进行一体化建模,利用经典寿命预测方法对其蠕变持久寿命与低循环寿命进行了预测。首先,分析了各部位温度分布和应力-应变分布,确定寿命关键点,利用Larson-Miller方程计算叶片的蠕变持久寿命,然后采用Manson Coffin方程计算整个结构的低循环疲劳寿命。计算结果表明,由于载荷剖面下的工作温度较低,叶片的蠕变损伤极小,而由于榫头/榫槽部位存在应力集中,其低循环疲劳预期寿命仅有102次循环。     

弧形燕尾榫结构设计及形状优化

为了设计弧形燕尾榫结构,对弧形燕尾型榫及叶片/榫头连接部位的三角过渡段进行研究,设计一种新的叶根型线.在上述工作基础上,建立了叶根型线与榫头顶面的尺寸约束关系,利用ANSYS软件建立叶片/榫头参数化模型,并开展榫头结构及叶根型线的优化设计,结果表明优化后的新结构叶背处的应力为827.11MPa,比原结构下降6.51%;...     

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.      

微动磨损引起的压气机叶片榫头断裂故障研究

某型发动机四级压气机叶片榫头断裂导致喘振而引发空中停车.针对榫头的断裂故障机理重点进行了以下方面的研究:断口、痕迹学分析,四级压气机叶片振动模态分析,榫头和榫槽等关键部位的应力分析,在发动机离心载荷工作条件下考虑榫头-榫槽接触表面微动磨损产生磨损和疲劳裂纹的可能性,同时预测榫头出现磨损和疲劳裂纹的危险点位置.研究表明,本次断裂故障为由于叶片榫头与榫槽的非正常接触而产生的微动磨损导致的疲劳断裂,属于个性的小概率事件.     

双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

提出双辐板涡轮盘/榫三维结构优化设计方法,包括:以盘/榫总质量作为目标函数,分部管理的设计参数,盘/榫结构分部快速优化/整体精细优化策略;基于ANSYS软件,建立了双辐板涡轮盘/榫结构优化设计平台.针对某高压涡轮转子,设计了两种双辐板涡轮盘/榫模型,分析了盘缘喉部半径、盘缘厚度参数对盘/榫危险区应力的影响.优化结果表明:双辐板涡轮盘比单辐板涡轮盘应力分布更加均匀;在满足结构强度约束条件下,两种双辐板涡轮盘分别比单辐板涡轮盘减质19.90%和17.35%;对双辐板涡轮盘/榫模型进行优化,采用该优化设计方法的计算时间仅为采用常规三维优化方法的1/3,表明其优化设计方法的合理性及高效性.      

几何与动力约束结合的单晶涡轮叶片结构细节优化

以叶片榫头进气窗口为结构细节优化对象,基于DD6单晶高温合金再结晶临界应力,通过单晶涡轮叶片铸造残余应力场仿真计算,建立了最大铸造残余应力与结构参数和温度的关系模型.在几何约束和动力约束工况条件下,开展叶片榫头进气窗口结构细节优化研究,最后与实际叶片榫头进气窗口的进行分析与对比.结果表明:优化后叶片榫头进气窗口区域最大铸造残余应力降低20%以上,原有的再结晶现象消除.      

航空发动机涡轮榫接结构齿形基本参数研究

通过大量有限元分析和优化设计数值计算方法研究了楔形角、榫头颈宽、榫槽高度、上侧角、下侧角及拉削角等齿形基本参数对榫接结构强度的影响,并根据计算结果设计了新的结构模型,经过实验验证,新结构最大应力有所改善.研究表明,可以采用二维有限元分析结果来研究齿形基本参数对榫接结构应力分布的影响,但是其不能反映应力在轴向方向的变化.     

基于静强和寿命可靠性的双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

为保证双辐板涡轮盘/榫结构疲劳寿命及可靠性，提出基于静强和寿命可靠性的涡轮盘/榫结构优化设计方法.采用盘身轴对称模型和涡轮盘/榫三维模型交替优化策略，进行轮盘静强结构优化.结合材料应力-寿命数据，对满足静强准则的涡轮盘/榫结构进行考虑尺寸效应的寿命可靠性分析，并建立各危险区域给定可靠度的峰值应力-寿命曲线.基于涡轮盘/榫静强优化设计平台，利用给定可靠度的应力-寿命曲线数据修改结构优化单点应力标准.在保证不出现轮盘破裂的前提下，将轮盘寿命可靠性优化的复杂过程简化为基于应力标准的寻优过程.典型例优化结果表明:静强优化后涡轮盘/榫的寿命不能满足设计要求；经寿命可靠性优化后，轮盘疲劳寿命较优化前增加了47.28%，满足寿命可靠性设计要求；且在轮盘静强优化质量减轻16.66％的基础上，再减轻3.43%；该方法在保证优化精度的条件下，可大幅提高优化效率，且易于工程设计中应用.      

接触问题形状优化的边界元法及其工程应用

提出一种用边界元法对平面弹性接触问题进行形状优化的设计分析方法。讨论了平面接触问题形状优化中设计变量的选取、形状描述的方法以及目标函数和约束条件的确定,进行了灵敏度和形状优化的算例考核,并对航空发动机枞树形榫头／榫槽进行了形状优化设计的应用分析。     

奇异积分方程方法在接触压力分析中的应用

总结回顾了奇异积分方程的数值解法,对于第二类奇异积分方程使用分段连续函数法进行了求解;对于两个弹性体接触问题,通过接触体之间的滑移函数和间隙函数,建立求解接触压力的奇异积分方程.分别针对圆柱体与弹性半空间体、抛物线型压头与弹性半空间体、榫头与榫槽3类接触问题,确立奇异积分方程的具体表达式,而后使用分段连续函数方法进行求解,获得接触面上的接触压力.最后将计算所得的接触压力分别与理论解和有限元解进行了对比.对于圆柱体与弹性半空间体接触问题,奇异积分方程法的最大接触压力与理论解和有限元解的相对误差分别为0.3%和0.5%;对于榫头与榫槽接触问题,奇异积分方程方法计算所得的最大接触压力与有限元解的相对误差为1.8%,验证了奇异积分方程方法的有效性.      

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.      

圆柱接触面榫连接结构的优化设计

以圆柱对平面接触特性研究为基础,提出了榫头接触面由直平面和部分圆弧面组成的结构方案,与典型的圆柱接触面榫结构方案对比,给出了设计结果.进而基于微动疲劳考虑,分别选择了最大综合参数FFD(fretting fatigue damage)最小和最大接触应力最小作为优化目标,对两种榫接触面设计方案分别进行了优化分析,结果表明以最大综合参数FFD最小为优化目标效果更好.      

复杂非圆管流动与换热特性实验研究

本文研究了 S型这一非圆通道 ,得到了其流动特性 ,平均换热特性和局部换热特性的准则方程。发现由于其几何形状复杂 ,不但很难确定其定型尺寸 ,而且带来了流动和换热情况的复杂性 ,构成一个“多尺度”、“多流态”问题。文中还指出它与其简化成矩形管处理结果的差异 ,以及在流动和换热特性上的许多新特点 ,对非圆管流进一步研究 ,提出了新问题