转子结构系统界面失效分析及稳健设计方法

针对结构非连续转子中连接界面接触状态变化引起界面力学特征改变,使转子系统动力特性不稳健的问题进行分析,并提出了一种界面接触状态的稳健设计方法。结果表明:该方法通过分析结构非连续转子系统中界面损伤失效的力学过程,对结构特征参数进行优化设计,降低界面力学特性对载荷环境的敏感度。以涡轮转子套齿连接为例进行优化设计得到,在加工装配误差所导致的应力极限情况下,最优解的接触应力水平更加远离应力约束边界,使带有连接界面的结构非连续转子系统的力学特性更加稳健,具有较好的工程应用价值。      

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。     

摩擦型螺栓连接冲击载荷传递特性试验

为了研究接触、摩擦和预紧力等非线性因素对摩擦型螺栓连接动态载荷传递特性的影响，利用空气炮装置发射钛合金 圆柱弹、钢球和冰球，开展了高速冲击试验，获得了冲击响应曲线。试验结果表明：金属弹体的撞击不能忽略弹体本身结构变形带 来的影响，相较圆柱弹，球形弹冲击产生的冲击载荷峰值小，载荷传递率大；金属弹体撞击产生的冲击载荷波形杂乱且变化剧烈， 螺栓连接的摩擦滑移导致的能量耗散使载荷传递率小于1，冰球撞击的载荷波形变化平缓，结合面的摩擦等非线性因素对载荷传 递的影响较金属弹体冲击的情况小；加大拧紧力矩、增大结合面粗糙度会导致冲击刚度增大，冲击刚度基本不受外激励影响；减小 拧紧力矩、结合面越光滑、加大冰球冲击能量会使载荷传递率降低；载荷传递率和损耗因子呈线性关系，当损耗因子小于0.59时， 结合面处的摩擦耗散将使载荷传递率小于1。     

机翼／副翼连接结构的连接刚度特性分析

大型飞机机翼倡0翼连接结构一般由多个连接螺栓共轴相连,副翼上的载荷按连接结构的刚度和传力路线的长短分配后传递给机翼后梁。为考察机翼／副翼连接结构的连接刚度特性,结合大型飞机机翼结构分析工作,利用PATRAN／NASTRAN对机翼偈4翼连接结构的刚度特性进行了分析研究。主要从连接耳片厚度、连接位置、以及连接耳片间距三方面...     

推进飞行器低温推进剂在轨贮存被动蒸发控制方案研究

在对低温推进剂在轨贮存技术简要概述的基础上,针对推进飞行器的2种构型,提出了3种低温推进剂在轨贮存被动蒸发控制方案,建立了技术方案中复合绝热结构和蒸汽冷却屏的传热分析模型,对不同轨道、不同构型和多个蒸发控制方案的低温贮箱漏热量和蒸发量进行了计算和分析。结果表明,绝热结构隔热性能为0.05 W/(m2·K)时,被动蒸发控制方案可控制液氢贮箱蒸发率为0.4%~1.1%/天;近地轨道低温贮箱的蒸发量明显大于地月转移轨道的蒸发量;蒸汽冷却屏可以明显减小低温贮箱的漏热;随着绝热结构隔热性能的增加,低温贮箱的漏热量减小。     

含行星架裂纹故障的行星齿轮箱振动仿真

为深入了解行星架裂纹故障振动频谱结构，提出一种考虑时变传递路径和行星轮系载荷非均匀分配的振动仿真模型。根据裂纹导致的行星轮角位移函数，分析了行星轮角位移对行星轮系载荷分配特性的影响，仿真分析了行星架裂纹导致的行星轮角位移和行星轮系载荷非均匀分配下的频谱边带结构。仿真结果表明：行星轮个数为3时，边频带仅受行星轮角位移影响，随行星轮个数增加到4、5时，频谱边带受行星轮角位移和载荷分配共同影响，阶比谱出现以行星架旋转阶次为间隔的调制边带成分。通过对比行星轮个数为3的齿轮箱仿真与实测信号的阶比谱边带结构，验证了模型的有效性。     

基于载荷共享理论的多传力路径耳片可靠性研究

飞机结构检查周期的制定需要保证结构在服役期间具有一定的可靠性，但多传力路径耳片结构中各层耳片的失效存在相关性，传统的并联系统可靠性分析方法已经不适用于该结构的可靠性分析。为解决这一问题，基于载荷共享并联系统提出了一种多传力路径耳片结构的可靠性建模方法。首先，基于载荷共享并联系统的基础理论和耳片设计准则，确定了多传力路径耳片结构的载荷共享原则和寿命等效原则；在此基础上，应用条件概率和全概率公式对任意三传力路径耳片结构进行可靠性建模，并应用于结构检查周期的校核；最后，以某型飞机的“铝-钛-铝”复合连接的耳片结构为例进行了应用分析，验证了方法的适用性和有效性。结果表明：相比传统的并联系统可靠性模型和基于对数正态分布模型的可靠性分析方法，所提方法能够很好地反映多层耳片间的相关失效，更符合多传力路径耳片结构的失效特性，从而为多传力路径耳片结构的可靠性分析提供了一种新的方法，可用于检查周期的校核和优化。     

低温贮箱连接支撑结构优化设计

低温贮箱间的连接支撑结构是导致贮箱漏热的主要原因之一。采用低热导率的材料、减小结构与贮箱连接部位的接触面积可以减少低温贮箱间的漏热。对低温贮箱连接支撑结构设计进行了初步研究,分别设计了V型和X型杆系连接支撑结构,给出了结构设计的基本参数,并对每种构型的强度、连接结构的热流量和失稳情况进行了分析;在相同质量的情况下,对壳段连接支撑结构也进行了分析,对比了杆系和壳段两种结构形式的总热流量,指出:杆系结构的总热流量更低,杆系连接支撑结构形式更优。     

多关节脚限位装置机构设计与仿真分析

对在空间微重力环境下,通过连接空间机械臂来固定和支撑航天员在轨维修操作的多关节脚限位器装置进行研究。多关节脚限位器装置限制航天服的靴子防止航天员脱离脚限位器,同时为航天员在轨维修操作提供多个自由度的调节范围。对多关节脚限位器装置的多关节结构进行设计与分析,针对某些特定动作进行运动学仿真,并进行试验验证。此外,还对关节运动范围进行了分析,使用Adams软件对载荷限制单元防冲击载荷与缓慢变化载荷的能力进行了仿真分析。     

某型飞机地板网格翻转系统输出接头接触仿真分析

某型飞机地板网格翻转操作平台的一个输出接头通过接触受力的形式传递载荷,该连接形式无法使用常规线弹性静力学求解。由于该接触问题具有普遍性,本文结合相关的接触分析软件,对该结构进行了接触仿真分析,完成了结构的强度校核,提供了一个接触分析通用的解决方案。     

固体火箭发动机连接结构接触应力研究

应用接触理论和有限元方法，分析固体火箭发动机法兰连接结构的接触问题。建立了法兰连接结构的有限元模型，充分考虑了连接螺栓预紧力对结构刚度的影响，将其合理地转化为等效节点初载荷。推导出在法兰对接面上有气密性要求时求解最佳预紧力的公式。最后通过实例进行了接触应力计算。结果表明，采用的分析方法和由此得出的结论具有一定的工程意义。     

飞机螺栓双剪连接结构有限元应力分析

为了设计更加高效和安全的航空航天结构元件,对螺栓连接进行精确的应力和应变分析是相当重要的。对飞机结构中广泛使用的铝合金7075 T6螺栓连接板进行了有限元建模,采用单螺栓和双螺母配合的双搭接连接,在建立有限元模型后,模拟施加三个不同大小的预紧力并附加不同的纵向拉伸载荷。螺栓连接中各个部件之间的接触采用三维面面接触单元来模拟,数值分析中考虑了摩擦效应,此外,还模拟了螺栓和板之间的间隙。有限元计算结果显示,由于施加预紧力而在孔边缘附近产生有益的压应力,较高的预紧力可以显著降低在孔边缘处合成拉伸应力的大小,并且在经受纵向拉伸载荷时也能够显著降低接头处的应力水平。     

大型飞机翼身对接形式分析

介绍了大型飞机伊尔76机翼机身对接部位结构的布置、材料使用、传力特性及对接形式的特点。此对接形式传力路线清晰，传力直接并实现多路传力，破损安全特性良好。装配上留有工艺补偿余量，降低了安装难度，并且不会损坏中央翼整体油箱的密封性。但中梁翼身对接时、对接接头往下伸出中央翼密封区，与机身采取双耳对单耳的叉接型式，每组耳片上采取多个螺栓连接，这种方式难以精确估算每个螺栓传递的载荷，会增加结构连接重量，也增加了装配的难度，值得进一步探讨。     

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。     

航空发动机多支撑附件系统振动传递路径分析

附件系统是航空发动机的重要组成部分,发动机过度振动常常会造成附件结构的局部破坏。针对某航空发动机具有多个安装结构支撑的滑油箱系统,开展不同飞行状态(空中慢车、巡航以及最大工作转速状态)下滑油箱振动传递路径分析(TPA)。首先,基于TPA基本原理,建立了多支撑滑油箱系统TPA有限元模型,并验证了模型的有效性。然后,基于某发动机实测滑油箱振动载荷谱,仿真分析了滑油箱多个目标点的振动响应。进一步地,基于仿真TPA方法,比较研究了不同飞行状态下安装结构对滑油箱振动响应的贡献量大小。结果表明,在N₁、N₂及2N₁处,滑油箱振动响应相对较大;在空中慢车和巡航状态,安装结构不同振动传递方向对目标点振动响应贡献量排序为Y>X>Z;在最大工作转速状态,不同安装结构Y向和X向振动传递方向对目标点振动响应贡献量相对较大。最后,通过降低主要传递路径的传递函数和工况载荷,滑油箱振动响应分别下降了1.5、2.8 dB。本文所使用的TPA分析方法可用于指导航空发动机复杂多支撑外部附件系统的动力学设计。     

单轨火箭橇在轨动力特性数值分析

为系统性分析火箭橇在轨动力特性，采用三维Eluer-Bernouli梁单元对火箭橇系统进行离散，通过重构生成长程不平顺轨建立考虑轨道不平顺及滑靴磨损的靴轨非线性接触力模型，由Newmark-β结合Newton-Raphson局部迭代求解非线性动力学方程获得火箭橇在轨动力特性数值解，并通过试验验证，计算结果表明：马赫数为2的速度下火箭橇质心竖向过载峰值约为2 700g；火箭橇在轨占空比与航向速度成正比，马赫数为2的速度下竖向火箭橇在轨占空比为16%；高速段滑靴磨损量占全弹道磨损量的84%，靴轨单次接触磨损量与航向速度3次方成正比。     

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。     

基于惯性补偿的三分量测力天平瞬态特性的研究

高超声速一体化试验模型在脉冲燃烧风洞中进行测力试验时,模型振动导致天平无法准确测量模型所受到的气动力载荷。为研究脉冲风洞瞬态测力问题,采用了以下方法:根据测力天平的结构特点建立了动力学方程;对其进行了虚拟标定和模态分析;对测力天平进行了瞬态分析并对输出结果进行了惯性补偿。结果表明,单分量阶跃载荷加载时,补偿后输出结果超调量大大下降,振动衰减时间缩短,俯仰力矩会对轴向力输出产生干扰,且三分量阶跃载荷加载时,干扰降低,各分量的超调量分别为162.6N,574.4N和38N·m;单分量正弦加载时,加载分量上输入输出基本一致,俯仰力矩对轴向力的干扰作用仍然存在,3分量正弦载荷加载时,输入输出结果具有相同的周期特性,俯仰力矩结果与输入结果一致,轴向和法向输入输出间存在一定偏差,3分量的超调量分别为24.1N,375.7N和70.8N·m。     

考虑热变形影响的主轴轴承动态特性

针对角接触球轴承高速工况下内部易产生大量的热量、温升过高而引起轴承零件热变形,导致轴承内部沟道曲率中心与球中心几何位置关系发生变化,进而影响动力学状态的问题,基于轴承分析的拟静力学理论,考虑了轴承内部摩擦功耗生热和轴承零件的热变形。利用热网络法划分主轴单元热网络节点,定义节点之间的热阻抗,建立了稳态热网络模型。分析了不同工作转速和载荷下各节点温升导致的轴承零件的热变形,得出了轴承动态特性和热特性之间的耦合关系模型,并分析研究了轴承内部的动力学特性。结果表明:随着轴承工作转速和载荷的变化,考虑热变形和不考虑热变形时的轴承接触载荷和接触角有显著不同,高速条件下轴承内部的热变形对轴承的动态特性影响巨大,是轴承在正常使用期间出现故障的主要原因之一。