考虑离心力与热应力非连续界面的微动磨损

航空发动机、重型燃气轮机等旋转机械的组合转子轮盘间多采用非连续界面连接,通过建立两轮盘的环形平面接触有限元模型,并进行冷态预紧、升速工况下的结构分析及稳态温度场下的热-结构耦合分析。研究了环形接触界面的接触应力、切应力、磨损深度等微动参量的演变规律。结果表明:预紧力单独作用下接触应力从内径到外径逐渐减小,内径处接触应力和切应力最大,磨损最严重;随转速升高,离心力增大,接触界面的最大接触应力增大,最小接触应力减小,造成接触应力分布不均匀程度及磨损加剧;稳态温度场导致盘间接触应力均值大幅度上升,严重加剧轮盘间磨损;从盘间接触应力分布均匀性与界面微动磨损情况来说,热载荷是造成组合转子非连续界面微动磨损的主要因素。     

拉杆组合转子的刚度修正及动力学建模

为研究拉杆组合转子的动力学特性并比较其与整体式转子的差异,基于集总参数法,提出了一种拉杆组合转子动力学建模的方法.该方法通过对整体式转子梁模型抗弯刚度的修正,可以考虑接触、预紧力和拉杆等因素的影响.首先分别分析了这3个因素对等效梁静态抗弯刚度的影响,给出了相应的修正系数.研究结果表明:接触界面和拉杆对轴段抗弯刚度的影响很大,而轴向预紧力的影响较小.然后,针对一模化实验拉杆组合转子,计算了各轴段的修正系数并建立了动力学模型.其临界转速计算值和实验结果吻合,误差仅0.8%,表明了方法的正确性.研究可为其他组合式结构的动力学分析和设计提供参考和借鉴.      

基于薄层单元的拉杆转子接触界面动力学建模及修正

为了研究具有复杂接触界面拉杆转子系统的动力学特性,发展了基于薄层单元的拉杆转子接触界面动力学建模及修正方法。采用线性本构关系的薄层单元模拟转子部件的复杂接触关系,基于模态试验数据,运用分层模型修正方法对预紧状态下拉杆转子部件接触面的连接刚度进行识别,通过识别的薄层连接参数建立拉杆转子动力学预测模型。将拉杆转子动力学预测模型的结果与试验数据进行对比分析,结果表明:采用线性本构关系薄层单元能够模拟拉杆预紧状态下接触界面的力学特性,修改薄层单元弹性模量能够模拟接触界面的法向刚度和切向刚度;修正后转子模型与测试结果的最大频率误差为0.6%,平均频率相对误差为0.25%,修正后模型能预测实际结构的振动响应。      

基于有限元法的转子细观结构对宏观刚度的影响

基于有限元法,通过研究转子内部细观结构非线性环节对宏观系统动力学参数影响的规律,构建了降维映射函数的研究思路.针对某型航空发动机轮盘拉杆螺栓接触结构,通过适当简化转子模型,利用ANSYS软件分析轮盘不同偏心状况下,拉杆螺栓不同预紧状态对宏观刚度的影响,探究其刚度非线性特性.结果表明:螺栓均匀预紧,预紧力变化,转子系统非线性特征的变化趋势与偏心夹角有关;半数螺栓松动,偏心夹角越大、松动预紧力越小,非线性特征越明显.      

带止口定心传扭结构高速转子轴向预紧力估算方法

针对涡桨发动机带止口定心传扭结构低压模拟转子的轴向预紧力开展研究,为带止口定心传扭结构高速转子轴向预紧力的确定提供理论分析方法。采用分段圆筒的简化思想,建立了前三级压气机盘和中心拉杆的简化模型。基于弹塑性力学和材料力学理论并考虑离心载荷的影响,揭示了轮盘间轴向力变化量与转速之间的关系,对设计确定的低压模拟转子初始轴向预紧力进行了评估。研究表明:评估的低压模拟转子初始轴向预紧力能确保止口定心传扭结构可靠工作,研究成果具有理论意义和工程应用价值。     

涡轴发动机组合压气机转子轴向预紧力计算方法

采用PATRAN软件建立了涡轴发动机组合压气机转子轴向预紧力的三维循环对称有限元计算模型,用MSC/MARC分析软件进行了计算分析,确定了转子中心拉杆和小拉杆的轴向预紧力,并在组合压气机转子的相关试验中对计算结果进行了验证。本文的研究为同类转子的轴向预紧力计算进行了有益的探索。      

考虑接触热阻的非连续转子快速启动热分析

针对燃气轮机转子非连续性的结构特点，通过考虑粗糙表面的接触热阻，建立了螺栓联接结构的热 结构耦合分析模型。研究了快速启动过程中轮毂间接触面上的温度分布及最大应力的变化规律，并分析了表面粗糙度和预紧力等接触参数对接触面间的温度分布、拉紧力及最大应力的影响。结果表明:热冲击下粗糙表面间的接触热阻对接触面的温度分布及最大应力影响明显，接触参数对螺栓联结结构的温度场、应力场及热变形特性影响较大。研究成果可为燃气轮机转子设计、热致振动分析及故障诊断提供理论依据。      

轮盘端面齿连接的周向拉杆转子刚度研究

针对轮盘端面齿连接的周向拉杆转子模型,理论分析得到转子各组成部分刚度计算方法.应用商业有限元软件ANSYS,基于三维有限元非线性接触算法计算预紧力下轮盘端面齿连接段的弯曲刚度和扭转刚度,得到刚度修正系数和刚度无量纲系数.分析周向拉杆刚度和轮盘刚度的关系,提出拉杆刚度比例系数.计算结果表明:刚度系数无量纲系数小于1时,刚度修正系数保持不变;刚度无量纲系数大于1时,此时预紧力不足,齿面发生滑移,刚度修正系数会突然降低,拉杆弯曲刚度比例系数会增加.刚度无量纲系数具有明确的物理意义,可为带端面齿的燃气轮机转子设计和故障诊断提供参考.      

大间隙集中传载结构强度分析方法研究

采用塑性材料本构及弹塑性面接触的非线性有限元算法,对大间隙集中传载结构进行了载荷分配、应力应变分布及破坏模式分析,给出了集中传载结构螺栓载荷分布函数、螺栓破坏模式、中截面弯曲应变分布及中截面剖面点应变随预紧力变化曲线,并与解析结果、试验结果进行对比.结果表明,解析计算结果偏于保守,非线性结果准确可靠,非线性有限元分析结果为大间隙集中传载结构强度分析提供了一种行之有效的方法,可用于大间隙集中传栽结构设计.     

盘式拉杆转子双稳态振动特性

针对盘式拉杆转子出现的"双稳态"振动故障,考虑拉杆转子特殊的结构形式以及各个接触面的接触效应对转子刚度的影响,将拉杆和接触面等效为一个具有非线性刚度项的抗弯弹簧,建立了拉杆转子的运动方程.利用谐波平衡法,同时引入预测校正算法和同伦算法,对拉杆转子的振动特性进行了计算.简化模型很好地重现工程实际中出现的"双稳态"振动特征.结果表明:由于结构上的不连续,各个接触界面的接触效应给整个转子结构引入了非线性因素是盘式拉杆转子"双稳态"特征出现的主要原因,通过调整系统参数的大小,可以避免"双稳态"区的出现.      

氦气涡轮转子系统整体数值仿真研究

针对氦气涡轮转子系统中各构件复杂的非线性接触关系及结构强度问题,采用Pro/E建模软件对氦气轮机转子系统进行了3维实体造型,并利用ANSYS软件进行了数值仿真强度分析。真实模拟了涡轮转子在4种工况下的应力分布以及变形趋势。结果表明:除接触应力和开孔处应力较大外,在转子轴系整体强度计算中,各级轮盘盘心处应力较大。根据各工况下的计算结果比较分析得出,离心力对盘心处的应力影响最大,对温度场的影响次之。     

基于非线性阻尼的航空发动机高压转子拉杆结构装配检测方法

 为了提高航空发动机高压转子拉杆结构的装配质量,提出了基于非线性阻尼的装配检测方法。该方法运用组合阻尼模型描述拉杆结构的非线性接触特性,并通过能量方程推导出基于Hilbert-Huang变换(HHT)方法的非线性阻尼的识别公式。在拉杆结构正常装配、单个螺栓松动和2个不相邻螺栓松动的3种情况下,采用非线性阻尼识别法进行实验,将3种情况得到的实验结果进行对比,发现基于组合阻尼模型得到的非线性阻尼与装配情况具有强烈的相关性,从而验证了基于非线性阻尼的装配检测方法的有效性。     

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。     

转子连接结构力学特性稳健设计

针对航空发动机转子结构具有质量/刚度分布不均匀、界面连接和承受大弯曲载荷等结构力学特性,分析了转子连接结构力学特性与界面接触状态之间的关联性,提出适用于工程设计的连接界面滑移和摩擦-疲劳损伤程度的界面接触状态、应变能和摩擦功等定量评估参数。建立了基于连接界面变形协调和转子应变能分布控制的转子连接结构力学特性稳健设计方法。结果表明:通过对转子结构几何特征参数进行优化,提高了连接界面在离心载荷作用下的变形协调性,改善了在工作载荷下转子弯曲应变能分布,可以减少连接界面摩擦-疲劳损伤,从而降低连接结构力学特性对载荷环境的敏感度,保证转子结构力学特性稳健。以高速转子系统中连接结构为例,通过仿真计算验证了带有界面连接的转子连接结构力学特性稳健设计的有效性。     

拉杆转子力学模型的研究

 提出了一种力学模型。该力学模型刻画了拉杆转子各部件之间在相互联接处的力学状态和性质。用动态子结构方法时一试验模型拉杆转子进行了理论计算,同时在实验室对模型拉杆转子的固有频率进行测试。由计算和试验的对比分析表明,这种力学模型较好地反映了拉杆转子系统的物理本质。     

考虑流固耦合效应的航空发动机风扇叶片应力数值模拟与试验测量研究

航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明：考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。