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。     

轮盘端面齿连接的周向拉杆转子刚度研究

针对轮盘端面齿连接的周向拉杆转子模型,理论分析得到转子各组成部分刚度计算方法.应用商业有限元软件ANSYS,基于三维有限元非线性接触算法计算预紧力下轮盘端面齿连接段的弯曲刚度和扭转刚度,得到刚度修正系数和刚度无量纲系数.分析周向拉杆刚度和轮盘刚度的关系,提出拉杆刚度比例系数.计算结果表明:刚度系数无量纲系数小于1时,刚度修正系数保持不变;刚度无量纲系数大于1时,此时预紧力不足,齿面发生滑移,刚度修正系数会突然降低,拉杆弯曲刚度比例系数会增加.刚度无量纲系数具有明确的物理意义,可为带端面齿的燃气轮机转子设计和故障诊断提供参考.      

大长径比中央传动杆转子动力学特性与故障分析

对航空发动机中央传动杆转子动力学特性进行研究,分析了中央传动杆两端花键套齿联轴器的支承刚度,在此基础上提出了考虑花键套齿联轴器横向刚度和角向刚度的转子动力学设计方法。针对发生碰磨故障的中央传动杆,在试验振动数据详尽分析的基础上,采用该设计方法对其进行了改进设计。发动机整机试验验证表明,改进后的中央传动杆工作稳定,状态良好。通过动力学特性研究以及故障分析,掌握了中央传动杆碰磨故障的简易现象表征,完善了中央传动杆的转子动力学设计技术。     

带套齿联轴器的转子系统动力学特性研究

针对大涵道比涡扇发动机低压转子中套齿式刚性联轴器结构,建立了套齿联轴器的力学模型和通过套齿联轴器连接的试验转子系统,通过动力学特性计算选择合适的支承刚度,以满足一阶、二阶临界转速的设计要求。理论分析和试验研究了轴向螺母拧紧力矩对套齿连接刚度以及对转子系统的临界转速、振型和不平衡响应等动力学特性的影响规律。结果表明:轴向螺母拧紧力矩会增大套齿联轴器的连接刚度,并且呈现明显的非线性特征。随着轴向螺母拧紧力矩从60N?m增大到120N?m,转子系统的一阶与二阶临界转速增长率分别为1.23%与0.51%;对应的不平衡响应幅值不同程度地增大;而对应的振型基本保持不变。改变不平衡量的轴向与周向位置会导致不平衡响应幅值大小及其变化率有所不同。     

涡轴发动机端齿连接结构接触状态分析

为了研究涡轴发动机端齿连接结构接触状态变化的发生机理及规律,根据涡轴发动机端齿连接的结构特征、受力分析和考虑滑移的切向接触受力原理,确定了端齿连接结构齿面接触状态的影响因素;并通过有限元分析方法,研究了齿面接触状态的变化规律。计算结果表明:转速和轴向压紧力对接触状态有重要影响;转速越高,则齿面接触区域变小,接触应力和滑移距离变大;轴向压紧力越大,则齿面接触区域越大,接触应力和滑移距离也越大;而摩擦系数对接触状态的影响不明显。研究结果对端齿连接高速转子的结构设计提供了一定的技术指导。     

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。      

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。      

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。     

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。     

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.      

Study on dynamic stiffness of supporting structure and its influence on vibration of rotors

The dynamic response of the rotor depends on not only itself but also the dynamical characteristics of the structures that support it. In this paper, the coupling vibration characteristics of the rotor and supporting structure are studied using one simple rotor-supports model firstly, and then the dynamic stiffness of the typical supporting structure of an aero-engine is investigated in use of both numerical and experimental methods. While, one simulation strategy is developed to include dynamic stiffness of realistic supports in the dynamical analysis of the rotor system. The simulated and tested results show that the dynamic stiffness of the supporting structure not only depends on the structural parameters but also is related to the frequency of the excitation force. The dynamic stiffness is affected by the damping and inertia effect when the excitation frequency is high and closed to the resonance frequency of the support, which may decrease the dynamic stiffness sharply. More resonance frequencies may be induced and the critical speed could be reduced or increased. While higher vibration response peak and overload of the bearing may also be caused by the varied dynamic stiffness, which needs to be avoided in the design of the rotor-supports system.     

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.     

转子支承不对中故障建模与机理分析

针对工程实际所出现的不对中现象,建立了一个转子支承不对中故障的通用模型。将任意形式的联轴器在径向刚度和角向刚度等效的前提下简化为1个等效模型,该模型与实际的总体径向刚度和角向刚度等效,依据实际联轴器刚度计算得到等效模型参数;根据等效联轴器模型推导出转子系统由于连接对角向位置的不均匀、连接刚度的差异性和非线性等不确定性因素所产生的不对中激励力,基于此建立含转子支承不对中故障的转子-支承耦合动力学模型。通过故障仿真分析得到转子支承不对中故障激励下的振动特征,通过数值仿真验证了平行不对中和角度不对中故障的2倍频和4倍频现象,以及由于角度不对中产生的1倍频轴向振动现象。利用含套齿联轴器的3支点转子故障模拟试验器进行了特征转速下多种不对中工况的振动响应试验,通过比较仿真结果的精度达到85%以上,表明所提出的转子支承不对中故障通用模型的正确有效性。