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。     

长拉杆-止口连接弯曲刚度损失及对转子系统振动响应影响

航空燃气轮机为了实现高负荷、轻质化的追求,在转子结构设计中,趋向于提高转速和加大长径比。这使得转子系统弯曲模态临界转速降低,转子在工作转速范围内不可避免会产生一定的弯曲变形。转子弯曲变形会影响连接结构界面接触特性的变化,使其连接结构局部弯曲刚度产生损失。因此,对于工作转速靠近弯曲临界的高速转子系统,需要考虑连接结构界面接触状态变化对转子系统振动特性的影响。以高负荷的长拉杆-止口连接转子系统为对象,分析连接界面接触应力分布特性,提出连接结构弯曲刚度损失修正方法,以此为基础建立界面连接转子动力学模型。通过对止口连接三级轴流压气机转子结构动力学特性的仿真和试验研究表明,在靠近弯曲振型临界转速下,转子连接界面接触状态的变化会产生弯曲刚度损失,对转子动力学特性具有显著影响。     

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。      

高速转子系统支承结构及力学特性设计方法

针对航空发动机高速转子系统支承结构及力学特性设计问题，开展支承结构约束特性（支点位置和支承刚度）对转子系统刚度及转子动力学特性的影响分析，建立转子支承结构约束特性与转子力学特性关联力学模型。通过对转子系统支承结构特征参数与刚度特性、振动特性等力学特性的关联性分析，定量描述了转子支承约束特征及轮盘惯性载荷对转子系统动力学特性的影响规律，在此基础上，提出了基于转子变形控制的支承约束特性与转子力学特性一体化设计方法。仿真计算结果表明:对于高速转子系统可以通过对支点位置及支承约束刚度的设计，调整转子弯曲变形和临界转速的分布特征，使其在通过或靠近弯曲振型临界转速的高转速工作状态下，具有足够的安全裕度。这种通过结构特征参数的变化，优化转子系统力学特性的方法，对航空发动机总体结构布局及动力学设计具有重要的工程参考价值。      

套齿连接转子简化建模及动力特性分析

在进行转子和整机计算时建立套齿结构接触模型会增加计算量，降低计算效率，直接将套齿结构省略又无法体现其刚 度特性变化对转子动力特性的影响。针对该问题，基于航空发动机单圆柱面套齿连接的结构和力学特征，建立了考虑构件间界面 接触状态的力学特征分析模型，提出了考虑套齿结构刚度随参数变化的简化建模方法，并与套齿接触模型进行了对比分析。建立 了单圆柱面套齿连接结构转子简化模型，开展了相应的转子动力特性试验，对比分析了拧紧力矩对转子模态频率的影响。结果表 明：转子简化模型与试验模型最大计算误差小于5%，证明套齿结构简化建模方法具有较高的可靠性和准确性，可为工程实践中高 效开展含套齿结构转子及整机动力学准确计算分析提供方法与参考。     

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。     

周向均布拉杆转子预紧力的确定

对周向均布拉杆转子进行考虑接触的三维有限元应力分析,揭示了不同拉杆预紧力和运行工况下拉杆转子的应力分布及界面接触状态演化规律.计算结果表明:拉杆转子在传递功率和横向载荷时,接触界面会发生局部分离和滑移,导致其承载能力小于整体转子;随着预紧力的增加,拉杆转子能够传递更大的载荷,但最大应力显著增加,降低了材料的强度裕度.根据得到的拉杆转子应力水平、接触界面应力分布及接触界面切向力与法向力的比值,给出了保证转子结构完整性和结构强度要求的拉杆预紧力确定方法,为此类转子预紧力的确定提供了参考.      

转子系统套齿结构动力学设计方法研究

对转子系统套齿结构进行了动力学分析,运用接触有限元方法建立了转子系统套齿结构的计算分析模型;研究了定位面间距、定位面配合紧度和接触面积等结构参数以及载荷对套齿结构连接刚度和接触状态的影响规律;在此基础上提出了套齿结构的动力学设计方法,包括连接刚度设计方法和接触状态设计方法;对某型发动机涡轮转子套齿结构进行了计算与分析,验证了所提出的套齿结构动力学设计方法的可行性。     

低温贮箱被动在轨非连接支撑结构力热特性仿真分析

针对低温贮箱连接支撑结构的承载及漏热问题,分析新型在轨非连接支撑结构(PODS)的原理,并对该结构不同工作状态进行了力、热特性仿真分析。力学特性分析结果表明:载荷小于700 N时,PODS为非接触状态,依靠在轨管传递载荷;载荷大于700 N时,PODS变为接触状态,依靠发射管传递载荷,接触状态下结构整体刚度和模态频率显著提升。热传导分析结果表明:热流传递路径与传力路径基本相同,非接触状态主要由在轨管传递热量,接触状态主要由发射管传递热量,非接触状态漏热量比接触状态减少约20%。     

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。      

转子结构布局及其力学特性优化设计

针对高推质比航空发动机结构设计，提出了航空发动机转子结构布局优化设计方案。对总体结构布局的优化可以有效提高材料使用效率，获取更优的力学特性，减小结构质量以提高推质比。介绍了转子结构布局的研究内容，给出了结构布局优化设计方法，并通过对高负荷转子结构系统的布局优化设计，验证了结构布局设计方法的可行性。算例结果表明:该方法可使结构效率损失系数降低0.335，方法的创新对航空发动机转子系统初始结构设计具有指导意义，对转子结构设计方案筛选和缩短设计周期具有重要的作用。      

柱面气膜密封界面结构与性能分析

选择并针对柱面气膜密封中六种典型的螺旋槽派生界面结构,基于有限元数值分析方法进行了气膜力学特性及密封特性的定量计算和分析比较;建立了不同界面型式的密封特性与可压缩数、膜厚的关系曲线;研究分析了不同界面结构密封特性变化特点和应用中的优劣势,为密封系统研究和设计选型提供了理论基础及指导.分析中的每种密封界面结构参数均为依据有关文献选取的优化或近似优化数据,采用的计算分析方法可拓展应用到其他结构中.      

Applications of structural efficiency assessment method on structural-mechanical characteristics integrated design in aero-engines

In the design process of advanced aero-engines, it is necessary to carry out an effective analysis method between structural features and mechanical characteristics for a better structural optimization. Based on the structural composition and functions of aero-engines, the concept and contents of structural efficiency can reflect the relation between structural features and mechanical characteristics. In order to achieve the integrated design of structural and mechanical characteristics, one quantitative analysis method called Structural Efficiency Assessment Method (SEAM) was put forward. The structural efficiency coefficient was obtained by synthesizing the parameters to quantitatively evaluate the aero-engine structure design level. Parameterization method to evaluate structural design quality was realized. After analyzing the structural features of an actual dual-rotor system in typical high bypass ratio turbofan engines, the mechanical characteristics and structural efficiency coefficient were calculated. Structural efficiency coefficient of high-pressure rotor (0.43) is higher than that of low-pressure rotor (0.29), which directly shows the performance of the former is better, there is room for improvement in structural design of the low-pressure rotor. Thus the direction of structural optimization was pointed out. The applications of SEAM shows that the method is operational and effective in the evaluation and improvement of structural design.     

倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科优化设计研究

采用了多学科设计优化方法, 根据涡流理论建立了倾转旋翼桨叶空气动力学分析模型, 利用CATIA, ANSYS和ADAMS等软件分析倾转旋翼桨叶结构动力学特性, 采用iSIGHT多学科设计优化软件集成空气动力学和结构动力学分析模型, 建立起倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化系统, 进行多学科设计优化研究.并以倾转旋翼机XV-15的桨叶为算例, 进行设计优化, 结果表明提出的倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化方法是可行和有效的.