Structural optimization of uniaxial symmetry non-circular bolt clearance hole on turbine disk

This study proposes a parameterized model of a uniaxial symmetry non-circular hole, to improve conventional circular bolt clearance holes on turbine disks. The profile of the model consists of eight smoothly connected arcs, the radiuses of which are determined by 5 design variables.By changing the design variables, the profile of the non-circular hole can be transformed to accommodate different load ratios, thereby improving the stress concentration of the area near the hole and that of the turbine disk. The uniaxial symmetry non-circular hole is optimized based on finite element method（FEM）, in which the maximum first principal stress is taken as the objective function. After optimization, the stress concentration is evidently relieved; the maximum first principal stress and the maximum von Mises stress on the critical area are reduced by 30.39% and 25.34%respectively, showing that the uniaxial symmetry non-circular hole is capable of reducing the stress level of bolt clearance holes on the turbine disk.     

An equilibrium multi-objective optimum design for non-circular clearance hole of disk with discrete variables

An Equilibrium Multi-objective Optimization Model(EMOM) with self-regulated weighting factors has been proposed for the optimum design of non-circular clearance hole on the front flange of turbine disk. In the ‘‘equilibrium design", both the stress decrease around the hole and the least hole's profile variation are considered, which balances two ambivalent design goals. Specific discrete variables are applied to realize the standardization design in the optimization process, in which a Surrogate Genetic Coding Algorithm(SGCA) is introduced, and a special check module is used to get rid of repeated fitness evaluation of the samples. The method offers an equilibrium design for the non-circular clearance hole of the turbine disk with great accuracy and efficiency.     

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.      

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.     

某型航空发动机封严篦齿盘异型螺栓孔公差设计分析

为了有效降低孔边应力水平,以某型航空发动机封严篦齿盘5参量单轴对称异型孔为研究对象。针对此类异型孔的公差设计问题,利用蒙特卡洛模拟技术,通过构造异型孔孔边应力状态的响应面函数以对设计参数进行灵敏度分析,确定了需要给定公差的设计变量。讨论了异型孔的重要设计尺寸公差带对孔边应力分布及配合的影响,并参照美制紧固件螺栓通孔设计标准,确定了此类异型孔尺寸公差选取应满足的强度要求及装配等级。     

某型燃气轮机封严盘疲劳裂纹机理分析

为了系统研究某型燃气轮机封严盘疲劳故障的现象、机理、特点和原因,进行了封严盘故障损伤痕迹、断口形貌、材料成分、金相组织等分析;同时进行了强度(应力)和模态振动特性方面的有限元计算研究,在此基础上进行了共振特性分析。分析结果表明:该封严盘结构设计存在薄弱环节,其均压孔孔边径向应力水平高,孔边表面状态不佳,在一定振动应力作用下,均压孔边容易产生高周性质的疲劳裂纹。对防止某型燃气轮机封严盘产生疲劳裂纹失效提出修理和使用中应控制的要点。     

某型燃气轮机封严盘的结构优化

为了分析研究某型燃气轮机封严盘均压孔裂纹故障,达到提高疲劳寿命的目的,进行了封严盘故障机理和局部结构修改分析.建立封严盘有限元分析模型,分析了封严盘振动应力分布特点和共振特性,结果表明:均压孔孔边应力水平高是疲劳裂纹的主要原因,针对该原因提出了改进方向.在装配状态下,针对原结构以及均压孔部位进行局部修改的几种情况进行了结构强度对比分析,最终提出了某型燃气轮机封严盘局部结构修改方案,修改后均压孔孔边的应力水平降低16%,屈服强度储备系数由0.891提高到1.069.      

某发动机高压压气机篦齿盘均压孔孔边裂纹故障分析

为确定某发动机高压压气机篦齿盘均压孔孔边裂纹故障原因,应用大型结构分析程序Ansys研究了装配紧度与篦齿盘振动特性的关系,选择合适的有限元分析模型.对不同装配紧度条件下的篦齿盘进行了振动频率、相对振动应力计算和行波共振分析,并与试验结果进行了对比.通过空气系统流路与结构特点分析,确定了影响篦齿盘振动的激振因素为低压涡轮轴孔、中介机匣支板和喷嘴.根据篦齿盘动力特性结合静强度计算结果分析认为故障产生的原因是由于均压孔孔边静应力水平较高,在振动应力叠加作用下产生高周疲劳破坏.并对后续使用提出了建议.     

涡轮盘多轴低循环疲劳寿命预测及试验验证

应用单轴及多轴疲劳寿命预测的Von Mises等效应变模型和临界平面模型对某两级涡轮盘传动臂销钉孔的疲劳寿命进行预测.组装和调试了全尺寸两级涡轮盘联合试验件,在旋转试验器上完成了低循环疲劳试验,得到两级涡轮盘传动臂销钉孔试验失效寿命.预测寿命与试验寿命对比分析显示单轴和Von Mises等效应变模型预测误差较大;临界平面模型误差较小,尤其是拉伸型失效SWT(Smith-Watson-Topper)模型误差为9.26%.      

涡轮盘疲劳寿命评估流程及应用

建立了较完整的涡轮盘疲劳寿命评估流程，并以一个涡轮转子模型的分析实例给出了寿命评估流程的实施过程，同时探索了涡轮盘考核部位模拟试验件设计的方法。结果表明:所建立的涡轮盘寿命评估流程具有较强的工程实用性，所发展的寿命方程参数确定方法可有效利用现有材料手册中各种材料基础试验数据并能获得一组物理意义明确的参数，此寿命方程预测的寿命精度在2倍分散带之内；通过涡轮盘计算分析发现应力梯度是影响涡轮盘中心孔、螺栓孔边以及过渡圆角等部位寿命的关键因素，需在设计过程中重点关注；通过带缺口的平板模型算例模拟了涡轮盘危险部位的应力梯度特征，实现试验件缺口部位的应力梯度与涡轮盘考核部位的相对梯度特征接近，并提供了缺口模拟试验件设计方法，为使用简单缺口试验件评估涡轮盘考核点的寿命提供了技术途径。      

涡轮盘结构可靠性与稳健性综合优化设计

初步建立1种综合考虑结构疲劳可靠性与稳健性的航空发动机涡轮盘优化设计方法。根据涡轮盘的结构设计准则,以轮盘的轻质化和低循环疲劳寿命的稳健性作为目标,以结构强度和疲劳可靠性作为约束,采用随机优化方法对轮盘进行优化设计。设计结果表明:由于量化考虑了轮盘的安全性,所以能够得到更精确的约束,从而使轮盘设计质量更轻;而针对稳健性的优化,则降低了低循环疲劳寿命对载荷和材料参数波动的敏感性,提高了涡轮盘的稳健性。     

某Ⅰ级涡轮盘低循环疲劳寿命试验研究

为了确定某Ⅰ级涡轮盘的技术寿命,根据该盘的标准循环载荷谱,对该盘进行了应力分析,确定在标准循环时该盘中心孔与径向销孔相交处为考核部位。为模拟标准循环时该盘在其考核部位的应力谱,专门设计了该Ⅰ级涡轮盘的试验转子及试验参数,在轮盘低循环疲劳试验器上,对该Ⅰ级涡轮盘的一个旧盘进行了高温低循环疲劳试验。试验结果表明：该旧盘低循环疲劳试验至第６０４７ 次循环时,有５ 个销孔考核部位出现了裂纹。断口分析表明：该旧盘剩余的试验低循环疲劳失效寿命为６０４７ 周     

含销钉孔边裂纹的某压气机轮盘裂纹扩展分析

基于三维裂纹扩展分析软件FRANC3D V6.0,结合有限元软件,采用子模型技术建立断裂力学有限元模型.对带孔平板试样的裂纹扩展进行了数值模拟,分析了裂纹扩展规律,计算结果与手册解误差很小,结果表明了分析方法的可行性和准确性.建立了含销钉孔边裂纹的轮盘断裂力学有限元模型,对其进行了三维动态裂纹扩展分析,计算了应力强度因子和裂纹扩展寿命.结果表明:该分析方法简单可行,几种裂纹形式中销钉孔内表面裂纹对轮盘裂纹扩展寿命危害最大.      

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.      

高压涡轮圆柱孔状径向轮缘密封封严特性的数值研究

径向轮缘密封结构在增大主流燃气入侵阻力同时也会阻碍封严冷气的向上输送,为此提出了一种在径向轮缘密封的径向内齿上打孔来改善其封严性能的设计思路.针对Lisa1.5级高压涡轮实验台,设计了一种传统和五种带孔新型的径向轮缘密封,采用数值模拟方法评定了圆柱孔孔径D和孔心距Sh对封严性能的影响,并揭示了其改变封严特性的流动机理....     

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.      

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.      

基于混沌粒子群优化算法的压气机盘低循环疲劳

压气机轮盘低循环疲劳寿命受很多随机参数的影响,具有很大的分散性,因此,对压气机盘低循环疲劳寿命进行稳健性设计具有重要的意义.在对疲劳寿命概率分析的基础上,结合RBF神经网络与混沌粒子群优化算法,利用混沌粒子群优化的动态收缩搜索区域的搜索特性,通过对随机参数进行优化进行压气机轮盘低循环疲劳寿命稳健性优化设计,使得疲劳寿命对参数的敏感度降低,概率区间减小,计算结果验证了该方法在工程应用中的可行性.     

基于归一化参数模型的涡轮盘和涡轮叶片蠕变分析

为完整描述构件3个阶段的蠕变变形计算,结合所发展的各向同性材料的归一化参数蠕变模型,进一步拓展到正交各向异性材料的归一化参数蠕变模型并进行适用性验证。应用所编制的子程序对高温材料涡轮盘和定向结晶材料涡轮叶片结构,进行了蠕变变形及应力松弛效应计算分析。结果表明：经过一定时间的蠕变变形,涡轮盘和涡轮叶片的高应力区会出现应力松弛。总体上轮盘的应力分布更加均匀,静力分析得到的轮盘中心孔、螺栓孔边和轮缘辐板过渡段处高应力区,由于存在蠕变变形,均出现较明显的应力松弛,但是盘中心孔处的应力松弛幅度较小,可能长时间处于高应力状态,应作为结构设计的危险部位重点考查;涡轮叶片也具有同样的应力松弛蠕变效应,特别是随着蠕变变形的增大,叶尖径向变形(位移)逐渐增大,在结构设计中,应考虑叶片叶尖与机匣长期工作径向碰摩而带来的不利影响。     

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.