基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法

接触刚度和阻尼是影响螺栓连接的装配结构动力学特性的关键参数,为了实现接触刚度和阻尼的同时识别,在前期开展的螺栓连接结构接触刚度识别的基础上,提出一种基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法。通过在单螺栓连接结构中巧妙引入试验垫片,通过试验获得有界、对称且均匀接触状态下结构的固有特性与动态响应;进而建立模拟接触面刚度与阻尼的薄层单元,并仿真获得结构的动态响应特性;通过结构固有频率测试与仿真结果构建误差函数实现接触刚度识别,通过动态响应测试与仿真结果构建误差函数实现接触阻尼的识别,进而获得接触刚度与阻尼随接触法向力变化的模型。结果表明,接触刚度随法向力非线性增大而接触阻尼则非线性减小,当法向力较大时,接触刚度和阻尼趋于稳定。研究结果为接触刚度和阻尼的同时识别提供了一种行之有效的方法,识别平均误差分别为4.5%、14.8%,所识别的刚度和阻尼以合适的薄层单元形式,可直接应用到包含多接触面的装配系统动力学分析中。     

机匣螺栓连接分区域薄层单元建模方法

机匣连接的螺栓预紧力大小对其动力学特性影响较大。为更准确反映其接触刚度随预紧力的变化情况,采用分区域薄层单元方法代替螺栓连接部分,并基于螺栓连接超模型刚度理论、赫兹接触理论以及M-B分形模型,推导出不同螺栓预紧力下分区域薄层单元的弹性模量,模拟机匣连接部分的轴向接触刚度,给出螺栓连接机匣简化建模方法。并以1个螺栓连接试验机匣为例,对比在不同螺栓预紧力下机匣仿真频率与模态试验频率,最大误差仅为2.83%。结果表明:分区域薄层单元建模方法能够有效地对不同预紧力下的螺栓连接机匣进行简化建模。     

航空发动机螺栓连接载荷与结构参数对连接刚度影响规律

从航空发动机复杂螺栓连接结构的特殊性出发,根据不同连接形式的螺栓连接结构轴向应力分布,提出了航空发动机复杂螺栓连接结构的连接刚度理论表达式,并进一步研究了航空发动机螺栓连接载荷、结构参数对连接刚度的影响规律。研究结果表明:当螺栓个数n在4~30之间变化时,双层的无量纲连接刚度K在8.9~66.8之间线性的变化;当螺栓预紧力F_p较小时,无量纲连接刚度K随着螺栓预紧力F_p的增加缓慢增加,当预紧力F_p增加到27.5k N时,双层的无量纲连接刚度K为27,且趋于稳定;并且n,F_p对无量纲连接刚度K的影响还与锥形半角α有关。     

一种基于模态实验的结合面接触刚度计算方法

在赫兹接触与Greenwood-Williamson(G-W)模型的基础上,推导带系数的接触刚度公式,提出了一种基于模态实验的结合面接触刚度计算方法.通过数值仿真分析获得1阶固有频率与接触刚度系数的关系曲线,结合1阶固有频率的实验结果确定接触刚度系数,进而确定接触刚度公式.应用所得公式仿真计算不同几何模型、不同离心力下系统的1阶固有频率以及激振力作用下系统的振动响应,并与实验数据对比,1阶固有频率的最大误差为1.73%,振动响应的最大误差为9.5%,结果吻合,验证了计算方法的准确性;同时研究了结合面干摩擦阻尼对系统的减振效果,结果显示在1阶固有频率附近,干摩擦阻尼具有明显的减振效果.     

法向接触刚度对螺栓连接结构振动模态的影响研究

从理论上研究了影响法向接触刚度的主要因素,导出了其计算公式;基于Ansys Workbench软件螺栓预紧力模块,利用优化接触面间的法向刚度因子方法,对螺栓连接结构进行了模态分析;最后对计算结果与模态试验结果进行比较分析。研究表明:模态参数的有限元计算结果与试验结果吻合较好。     

螺栓联接结构振动特性有限元分析方法的研究

复杂的联接结构是由多个子结构组合而成,从而形成接触面。研究表明,其接触刚度显著影响系统的动力学特性。以螺栓联接结构的“L”形实验件为例,利用有限元软件建立了系统的粘结结合面模型和罚函数法接触模型,获得了系统固有频率以及振型,对比实验结果,分析了不同建模方式对系统振动特性的影响。     

不同载荷下螺栓法兰连接结构非线性刚度影响因素

为研究各影响因素对螺栓法兰连接结构非线性刚度的影响规律,建立了带升角螺纹连接结构精细有限元模型,进行了全六面体网格划分,并验证了模型的有效性,分别进行了拉伸、弯曲、扭转载荷下仿真分析。结果表明:螺栓初始预紧力越大,连接结构抗弯、抗扭刚度越大,初始预紧力对抗拉刚度没有影响,拉伸载荷下初始预紧力提高了两法兰分离的临界阻力,弯曲载荷下,初始预紧力越大,触发两法兰出现开口状态的外部弯曲力矩值越大,各螺栓越不容易承担外力,两法兰开口前,初始预紧力对连接结构抗弯刚度影响较小,开口后影响较大;螺栓直径越大、个数越多,连接结构抗拉、抗弯、抗扭刚度越大;螺栓位置越靠近法兰筒,连接结构抗拉刚度越大,分别存在一个最优螺栓位置值,使得连接结构抗弯和抗扭刚度最大;结合面间摩擦因数对连接结构抗拉、抗弯刚度没有影响,结合面间摩擦因数越大,连接结构抗扭刚度越大,其中法兰-法兰结合面间摩擦因数对刚度曲线第一段内抗扭刚度影响较大,螺栓-法兰结合面间摩擦因数对第二段内影响较大。      

止口螺栓连接结构非线性刚度机理分析及数值仿真

以高速转子的止口螺栓连接结构为研究对象,从结构不同阶段的应力-应变分析和有限元数值仿真两方面研究其拉伸刚度和弯曲刚度的非线性特征及其形成机理,重点讨论了止口对连接结构非线性刚度的影响,获得了关键参数对连接刚度的影响规律,在此之上,定量分析了止口螺栓连接刚度损失对某高压转子振动特性的影响。结果表明:止口螺栓连接结构受拉时具有3种变形状态,拉伸刚度呈现分段非线性特征。弯曲刚度具有“倒S”形非线性变化规律,非线性拉伸刚度和拉压区域面积变化是其产生的内在原因。止口紧度对弯曲刚度影响较为明显,转速则影响较小。止口螺栓连接刚度损失对弯曲型和俯仰型临界转速存在一定影响,而对平动型临界转速影响极小。     

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。      

凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响

针对带凸肩风扇叶片的动力学设计需求,研究凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响规律.基于梁理论建立带凸肩风扇叶片的力学模型,采用瑞利法推导了1阶固有频率解析解,并获得了1阶固有频率随凸肩径向位置的变化规律.基于非线性接触有限元法,研究了凸肩径向位置对接触状态和振动特性的影响.研究结果表明:凸肩径向相对位置为0.75时,可使叶片具有最大的刚度值和1阶固有频率值.而综合考虑多阶模态频率时,凸肩径向相对位置为0.55至0.68时,叶片振动特性最优.凸肩接触正压力随凸肩径向位置增加而下降,切向接触刚度随凸肩径向位置的增加先增加后减小.      

螺栓孔的位置度误差对短精密螺栓连接结构装配力学特性的影响

为了研究螺栓孔的位置度误差对装配力学特性的影响,建立了考虑位置度误差的误差模型和有限元模型,研究了位置度误差对单个短精密螺栓连接结构的连接刚度和孔边应力的影响,建立了短精密螺栓组的位置度误差计算模型和有限元模型,分析了上、下被连接件的安装角度、第1颗螺栓的装入位置对短精密螺栓组结构的连接刚度的影响。研究发现:位置度误差对轴向刚度影响较小,对切向刚度影响显著,位置度误差在切向载荷方向的投影值是影响切向刚度的主要因素,螺栓孔的孔边应力在180°处达到最大,通过计算和比较位置度偏差的投影值与模长的标准差,得到了3种较优的螺栓装配方案。      

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.      

接触特性对非连续性转子热致振动的影响

针对燃气轮机转子的非连续性结构间存在的接触特性,根据微凸体理论引入接触刚度和接触热阻的等效模型,建立了某型燃气轮机非连续性转子的动力学模型,分析了接触参数对转子稳、瞬态动力学特性的影响,研究了螺栓松动引起的转子热变形及其对转子快速启动过程中振动特性的影响.结果表明:预紧力、接触面的表面粗糙度和螺栓个数对转子临界转速有一定的影响,螺栓松动导致转子在启动过程中瞬态热变形最大达到7μm,过1阶临界转速时引起的转子最大响应幅值增大约30μm.在非连续性转子系统的热致振动特性分析当中,不应忽视接触参数、接触刚度和接触热阻的影响.      

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。     

带有阻尼环(套)的篦齿封严装置固有特性的理论及实验

以带有开口阻尼环(套)的篦齿封严装置为研究对象, 运用弹性力学、材料力学和接触力学的有关理论研究了阻尼环(套)与封严装置之间的接触压力和接触刚度的求解方法.在此基础上, 根据结构系统动力学理论建立了封严装置/阻尼环(套)组合结构的等效线性系统模型, 并通过模态实验验证了理论模型的正确性.研究了阻尼环的安装位置和阻尼套厚度、宽度、开口量等参数对组合结构固有特性的影响规律.阻尼环在不同的安装位置时对封严装置固有特性的影响较小.阻尼套对封严装置固有特性的影响包括附加质量和附加刚度两方面, 当封严装置结构一定时, 组合结构的固有频率与封严装置自身频率的差异大小取决于阻尼套附加质量和附加刚度的相对比较.由于阻尼环(套)开口较小, 并且它的刚性远低于封严装置的刚性, 组合结构仍大致以周波型振动为主.