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。     

高速可拆卸转子止口连接结构稳健性设计方法

采用止口连接结构，提出了可拆卸转子结构设计方案。通过分析止口结构刚度损失模型，得到了连接机构对转子整体刚度的影响加速增加的特征。进而通过非线性有限元接触分析，得到其刚度稳健性设计方法。结果表明:增大止口局部刚度，连接结构设计时避免弯曲应变能集中，保证弯曲临界转速距工作转速有20%裕度，这样可以提高转子的刚度稳健性；止口连接设计为紧度配合，提高轴向压紧力，优化止口局部结构等方法，这样可以提高转子的接触状态稳健性。      

带止口法兰连接结构刚度特性对结构振动影响

对带有止口的法兰连接结构刚度特性进行了数值仿真研究。使用有限元软件ANSYS分析了带有止口的法兰连接结构的迟滞特性。通过对止口接触面的变形-滑移机理分析,使用一个詹金斯单元和一个弹簧单元并联模拟法兰的一个扇区,并基于法兰弯曲变形时每个扇区的不同状态建立了整个法兰结构的弯曲刚度简化模型,并对该简化模型进行了仿真,该简化模型能够较准确地模拟带止口法兰连接结构的刚度特性。基于简化模型和梁单元建立了简化转子结构模型,分析了带有止口的法兰连接结构对转子稳态动力学响应的影响。结果表明带有止口的法兰连接结构的迟滞特性能够影响峰值频率,随着止口过盈量的增加，响应峰值显著降低,具有较好的振动抑制效果。      

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。      

燃气轮机周向拉杆转子连接刚度对转子振动特性影响的研究

为研究燃气轮机周向分布式拉杆转子轮盘间存在的连接刚度对轴系转子振动特性产生的影响,本文提出一种基于六自由度的弹簧单元等效方法;首先将轮盘接触刚度与拉杆弯曲刚度同时等效进连接界面,便于使用一维梁单元求解其临界转速与振动响应变化,验证其与全三维有限元法吻合度在3％以内;然后改写了非线性动力学方程,采用谐波平衡法对其进行求解,使用经典Newmark方法验证其准确性;最后使用该等效方法计算了某模拟转子连接刚度对其临界转速、响应特性、非线性特性等的影响。计算结果表明：当连接面剪切刚度与弯曲刚度减小3个数量级,均造成了临界转速的降低和振动响应的提高,而其影响程度可由各阶振型大致推测,且响应幅值受剪切刚度影响较大;使用临界转速趋于收敛时的连接刚度与试验值的对比误差小于2％,较连续模型提升显著;在连接刚度各向异性时,每一阶临界转速均出现两个响应峰值,轴心轨迹变成椭圆;考虑刚度随位移变化（非线性刚度）后,转子的响应峰值发生“歪扭”特性,且该峰值特征随不平衡量、无量纲阻尼等因素变化而呈现“波浪形”变化。     

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。     

界面连接多盘转子旋转惯性模型及动力响应特性

针对工作在超临界状态下带有界面连接的多盘转子系统，采用惯性主轴偏斜描述质量分布，考虑各轮盘旋转惯性载荷随转速和弯曲变形变化的特征，建立了高速多盘转子力学模型。在定量描述加工/装配误差和连接结构接触状态影响下各级轮盘质量分布的基础上，探究了转子动力响应及支点动载荷幅值和相位随转速的变化规律。理论模型及仿真结果表明：在超临界状态下，转子旋转惯性力矩会使支点动载荷幅值随转速继续增大；而高转速状态下，连接结构接触状态的变化可能使多盘转子的质量分布发生改变，转子惯性主轴趋近旋转中心线，转子所受的旋转惯性载荷减小，体现出振动突降的响应特征。     

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.      

常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性

研究了常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性.考虑裂纹单元截面中性轴的时变特性,推导了裂纹转子的刚度矩阵,考虑重力及不平衡激励,采用有限元法建立了常开空心轴裂纹转子系统的动力学方程.采用谐波平衡法对方程进行求解,给出了不同裂纹深度下的三维幅频图,表明在临界转速和亚临界转速处均有峰值出现;分析了裂纹深度、裂纹位置对该系统的临界转速的影响,表明位于跨中靠近惯性量较大圆盘的深裂纹对常开空心轴裂纹转子系统的影响大,临界转速下降快;计算了该系统在亚临界转速时的非线性振动响应,结果表明:亚临界转速下常开空心轴裂纹转子系统会发生超谐共振现象.所提出的空心轴裂纹的建模方法为航空发动机转子系统裂纹故障的非线性动力学分析提供了理论指导.      

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。      

Nonlinear interval analysis of rotor response with joints under uncertainties

The dynamic influence of joints in aero-engine rotor systems is investigated in this paper. Firstly, the tangential stiffness and loss factor are obtained from an isolated lap joint setup with dynamic excitation experiments. Also, the influence of the normal contact pressure and the excitation level are examined, which revel the uncertainty in joints. Then, the updated Thin Layer Elements (TLEs) method with fitted parameters based on the experiments is established to simulate the dynamic properties of joints on the interface. The response of the rotor subjected to unbalance excitation is calculated, and the results illustrate the effectiveness of the proposed method. Meanwhile, using the Chebyshev inclusion function and a direct iteration algorithm, a nonlinear interval analysis method is established to consider the uncertainty of parameters in joints. The accuracy is proved by comparison with results obtained using the Monte-Carlo method. Combined with the updated TLEs, the nonlinear Chebyshev method is successfully applied on a finite model of a rotor. The study shows that substantial attention should be paid to the dynamical design for the joint in rotor systems, the dynamic properties of joints under complex loading and the corresponding interval analysis method need to be intensively studied.     

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.      

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。     

双盘转子碰摩的弯曲和扭转振动实验研究

设计了 1个新型多自由度的双盘转子动静件碰摩实验器。应用该实验装置 ,重点研究了转子动、静碰摩后的转子弯曲和扭转振动。实验结果表明 ,转静件碰摩主要激起系统扭转自然频率振动 ;同时 ,弯曲振动复杂。不同情况下的转静件碰摩 ,转子具有不同的弯曲和扭转振动响应。根据转子扭转振动的变化可诊断转静件碰摩故障 ,与理论研究的结果相吻合     

脉冲爆震载荷作用下转子系统动力学特性

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)气动载荷具有周期性、非定常的特点,应用有限元法建立了PDTE转子系统动力学特性计算模型。在验证计算模型准确性的基础上,研究了周期性、非定常轴向力和扭矩对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,PDTE转子系统同时存在弯曲振动、轴向振动和扭转振动。脉冲爆震燃烧室的气动载荷会改变转子系统的弯曲刚度,但对气动载荷合理设计后,其对弯曲振动的影响较小。周期性、非定常轴向力引起转子系统轴向振动,且轴向振动特性主要受零频和1阶轴向共振频率处响应的影响。PDTE工作时滚珠轴承的轴向支反力会不断变向,在设计滚珠轴承时应予以考虑。周期性、非定常扭矩引起转子系统扭转振动,1阶扭转共振频率分量在扭转振动响应中占优。