榫头/榫槽接触问题边界元分析

本文用增量理论建立了二维弹性接触问题的边界元法方程,讨论了求解接触问题过程中的一些具体做法。文中分别对盘/片组件的燕尾型与枞树型榫头与榫槽的接触应力作了数值分析。与有限元及光弹试验结果对比表明,边界元法的结果是令人满意的。      

弹塑性接触有限元分析的凝缩法

 解决弹性接触问题可用一种新的弹塑性接触有限元计算方法,即有限元混合法与弹塑性有限元分析的凝缩法结合而成,能显著地节省计算时间。文中对涡轮盘榫槽与叶片榫头的接触问题进行了计算分析。     

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.     

枞树形榫连结构接触应力的有限元分析及建模研究

采用有限元法对赫兹接触问题进行了分析,计算结果同解析解吻合很好,进而明确了有限元法求解接触问题的一般流程及难点。以某发动机涡轮盘三齿枞树形榫齿,榫槽连接结构作为研究对象,分析其接触应力。计算结果表明,接触区边缘存在较高的应力梯度,接触应力的有限元解同网格疏密度密切相关。通过建立一系列不同密度网格模型开展了有限元建模研究。以改善接触应力的求解精度．同时得出了一些具有工程指导意义的结论。     

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。     

涡轮盘榫齿载荷分配的一种计算方法

通常在有限元计算中,力和位移的边界条件要精确地给出。但是对于力和位移边界条件不能充分给出的一类问题,如接触问题,目前解题尚有一定的困难。对于涡轮盘和叶片的榫齿连接,求解这种含多面接触的工程计算,往往是假定一种边界条件,即首先预估榫齿上的载荷,然后进行轮盘或叶片的有限元分析。本文试图以完整的榫齿连接区域作为有限元模型,利用弹性位移叠加原理求载荷在榫齿上的分配,并根据这一分配进行了应力计算和断裂分析。      

用有限元素法分析弹性固体接触问题

弹性固体接触问题在工程实际中具有十分重要的意义。像紧配合零件、螺栓连接、齿轮对以及燃汽轮机叶片榫头与轮盘榫槽处的应力分析,都属于这一类问题。本文用位移型有限元素法分析弹性固体接触问题。所述方法可以处理多个物体多处接触的情况,也可以处理有初始间隙及初始嵌入的情况,还可以处理有摩擦力存在的情况。虽然本文只给出了平面弹性固体接触的具体公式,也可以推广于轴对称问题及三维问题。也可将本文所述方法推广于弹塑性固体接触问题。     

涡轮榫头/榫槽的结构优化设计

建立了一个涡轮榫头/榫槽的一体化结构设计优化系统.在此优化系统中,采用榫头/榫槽间隙配合的参数化建模方法.利用ANSYS对结构进行非线性接触分析,基于二次开发实现了目标函数以及其他相关结果的自动提取.采用多岛遗传及二次序列规划算法对优化空间进行寻优,在满足几何约束和强度约束的条件下,优化降低了最大拉应力值和当量应力值.实例分析结果表明,一体化优化设计使涡轮叶片、叶盘性能得到明显的提高,所建系统稳定、高效,具有应用于工程实践的可行性和可靠性.      

涡轮叶片榫连接结构接触变形测量方法研究

航空发动机涡轮叶片与涡轮盘的连接往往采用枞树形榫头、榫槽的连接形式,其接触面的失效以微动磨损疲劳破坏的形式出现,它与榫齿工作面的接触应力及工作面之间的滑动参数有关。本方法利用光弹性模型的形变记忆功能及云纹干涉法测量了接触面的位移场,为分析接触应力及滑动参数提供了更接近实际情况的数据;解决了带滑动的接触应力的测量方法,结合数值计算将大大推动众多工程接触问题的研究。     

考虑辐射效应的多孔材料传热有限元算法

应用有限元法求解一维半透明多孔介质辐射对流传热问题。通过对辐射传递方程与边界条件中积分项的离散 ,推导出有限元求解列式。对于多孔介质传热控制方程和气体传热控制方程的求解 ,采用时间积分技术对两相温度统一进行求解。而对于边界方程处理 ,则通过传热方程与边界方程的循环求解 ,求出任意时刻温度场的瞬态解。给出数值算例 ,得出了放置在通风口、同时受到伴随辐射作用的半透明多孔介质传热的瞬态解 ,讨论了部分参数对瞬态温度场以及换热效果的影响      

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。     

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.      

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.      

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.      

某级压气机叶盘系统失谐振动关键因素研究

基于某级压气机叶片盘扇区，建立考虑非线性榫接触叶片盘有限元模型，应用提出的自由界面子结构-固定界面预应力模态综合超单元近似分析方法，并基于提出的围绕实验与有限元分析拟合出线性表达式的失谐参数识别方法，探究失谐关键因素对于叶盘系统振动的影响.结果表明，非线性榫接触不可忽略，提出的超单元法精度达到3.07%，满足要求.同时也表明，叶片平均频率、叶盘刚度比与频率转向对于失谐叶盘系统振动幅值、共振频率及应变能等参数均有一定影响.      

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%.     

阻尼器切向接触刚度的有限元分析及应用

提出了一种利用有限单元法求解干摩擦阻尼器接触刚度的方法.利用该方法研究了接触面初始正压力、摩擦系数、阻尼器材料属性和阻尼器接触面半径等对接触刚度的影响规律,发现接触刚度随着这些参数的增大而变大.并通过曲线拟合得到了一定条件下接触刚度随接触面正压力变化的函数关系,为求解带阻尼器叶片非线性响应时实时准确考虑接触刚度随正压力的变化提供了方便.最后,利用所得刚度函数研究了接触刚度对带凸肩叶片非线性振动响应的影响,结果表明:随着接触刚度的增加,叶片峰值频率逐渐升高,振动峰值逐渐减小,且各自都逐渐趋于一个定值.      

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.