螺栓联接结构模态频率有限元计算的简化方法

螺栓联接是机械结构中广泛采用的联接形式，而螺栓预紧力是影响螺栓连接结构的模态频率值的主要因素。通过对经典螺栓理论进行研究，提出了一种模拟螺栓预紧力的简化方法，并使用有限元软件对简化前后的螺栓联接结构进行了模态分析。研究表明，该方法模拟螺栓联接预紧力所得的模态频率的结果与模态试验结果吻合较好，并且与简化前螺栓联接结构的有限元计算结果有很好的一致性，并且计算速度有很大提高。表明所提出的方法可行，能满足工程要求，具有一定的应用价值。     

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。     

预紧力对层合板螺栓连接强度的影响研究

预紧力的大小对连接件的连接强度具有较大的影响。在ABAQUS软件环境下建立层合板螺栓连接结构的三维有限元模型，引入改进的Hashin三维失效判据，并提出了一种新的结构刚度分区退化模型，分别计算了预紧力存在的条件下凸头螺栓和沉头螺栓连接情况下单搭接层合板的失效情况。计算结果与试验结果的对比表明：采用这种刚度退化模型的计算结果较为精确；预紧力对凸头螺栓连接和沉头螺栓连接的失效情况影响不同，合适的预紧力可以提高层合板的极限强度，过大的预紧力不利于结构的承载。     

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。     

冲击载荷下单螺栓连接结构力学行为试验与仿真研究

基于霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）装置，对发动机结构设计中广泛使用的螺栓连接结构开展了冲击试验，研究了冲击载荷作用下单螺栓结构的承载能力、损伤模式和失效机理，掌握了冲击速度、预紧力、装配间隙的影响规律。在瞬态显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA中，对单螺栓连接结构的冲击试验进行了数值仿真分析，其中螺栓结构采用考虑螺纹细节的精细有限元模型，仿真获得的应变波传播规律与试验吻合良好，验证了该模型的有效性。试验与仿真结果表明：单螺栓连接结构冲击过程分为初始加载与滑移、接头双峰强加载、卸载三个阶段；冲击速度越大，冲击力峰值显著增加；增大螺栓装配间隙或适当提高预紧力均可增强螺栓连接结构的抗冲击剪切能力，而过大的预紧力则会使抗冲击剪切能力下降；螺栓的失效模式为剪切压溃失效。     

螺栓连接预紧力对涡轮盘静力学特性影响的仿真分析

螺栓连接是涡轮组件中盘-盘连接的基本方式,影响着涡轮盘的静力学特性。采用有限元方法,对燃气轮机涡轮盘静力学特性进行分析。通过建立动力涡轮盘有限元模型,研究了有无螺栓连接时动力涡轮盘在不同工作状态下应力的大小和应力点的位置变化,获得了螺栓预紧力对动力涡轮盘应力分布的影响规律。结果表明,螺栓连接预紧力是影响涡轮盘静力学特性的一个主要因素,盘-盘连接设计时应合理选择预紧力,以避免影响涡轮盘静强度。     

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。      

盘鼓螺栓连接结构接触刚度建模与应用检验

针对航空发动机中盘鼓转子螺栓连接结构连接刚度精确建模与工程化应用问题,通过扇形盘鼓螺栓结构固有特性实验获得前6阶固有频率随螺栓预紧力变化关系,考虑螺栓接触面应力分布,基于双薄层单元法获得了扇形盘鼓螺栓连接结构各阶固有频率随薄层单元弹性模量变化规律。通过构建实验与仿真结果误差函数实现接触刚度的识别,并将接触刚度模型推广应用于整圈盘鼓螺栓连接结构中,检验了模型的有效性和通用性。结果表明:基于单螺栓连接的扇形盘鼓结构固有频率测试与仿真建立的接触刚度模型,接触刚度平均识别误差为2.40%,将其应用于整圈盘鼓转子螺栓连接结构中时,仿真与实验平均误差为4.10%,检验了提出的接触刚度模型的普适性。      

圆弧端齿对涡轮螺栓连接影响的数值研究

为验证某型民用航空发动机涡轮总体设计方案的可行性和安全性,以该型航空发动机涡轮的圆弧端齿连接结构为研究对象,利用有限元数值模拟方法研究了涡轮第1级盘与前轴之间采用圆弧端齿连接的设计对结构强度和疲劳失效的影响,分析了在高温及不同预紧力载荷工况下对圆弧端齿连接强度、疲劳等性能的影响规律.研究表明:该设计存在涡轮第1级盘与高压涡轮轴连接的外端齿分离而导致振动的风险,而增大预紧力可以提高螺栓连接传递荷载的能力,但螺栓孔边存在局部高应力问题.研究结果为圆弧端齿的设计方案提供了有效理论支撑和参考.     

某发动机盘轴“扭矩-转角”连接法应用试验

螺栓连接是航空发动机机械连接的主要方式,传统的扭矩法造成预紧力误差较大,尚不能满足发动机高精确性、高可靠性连接的工艺控制需求。为此,以某型发动机低压涡轮盘轴的关键连接结构为对象,将传统的扭矩法和先进的转角法相结合,在国内发动机装配中首次应用"扭矩控制–转角监测"法,并设计开发智能拧紧系统,利用转角法预紧力精度高的特点,在准确施加扭矩的同时,监测调整螺母的转动角度,保证了预紧力的准确控制和连接刚度的均匀一致,提高了发动机的结构连接质量,为后续工艺协同发动机设计提供了技术手段,对发动机装配表现的不一致性问题提供了解决途径。     

无螺栓高压压气机转子结构分析

根据新一代高负荷高压压气机结构设计需求,引入无螺栓高压压气机结构设计概念,从结构强度、部件质量和寿命等多方面对比分析了有无螺栓连接的高压压气机结构的区别,并对无螺栓高压压气机转子结构设计难点进行了初步分析。结果表明:无螺栓转子结构具有成本低、质量轻和便于装配等多项技术优点,能够满足多种类型航空发动机的需求,具有很好的结构通用性。     

带有安装边螺栓连接结构的机匣包容能力研究

为了研究带有安装边螺栓连接结构的机匣对断裂叶片的包容能力，截取环形机匣中的安装边螺栓连接结构，开展有限元仿真和冲击试验。首先，使用LS-DYNA软件建立有限元模型，研究撞击角度、撞击位置、定距套和止口对机匣安装边螺栓连接结构抗冲击能力的影响。仿真结果表明：撞击位置、撞击角度、定距套和止口都对结构的抗冲击能力有显著的影响，当叶片撞击在单侧机匣的安装边位置时结构的抗冲击能力最弱，定距套和合理的止口设计都能够有效提高结构的抗冲击能力。然后，通过机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击试验，验证了数值仿真方法的准确性和可靠性，为数值仿真结论的有效性提供了依据。最后，通过数值仿真分析了螺栓断裂过程，并结合试验分析揭示了螺栓发生剪切断裂和拉伸断裂的原因。     

A novel virtual material layer model for predicting natural frequencies of composite bolted joints

A novel virtual material layer model based on the fractal theory was proposed to predict the natural frequencies of carbon fiber reinforced plastic composite bolted joints. Rough contact surfaces of composite bolted joints are modeled with this new proposed approach. Numerical and experimental modal analyses were conducted to validate the effectiveness of the proposed model. A good consistence is noted between the numerical and experimental results. To demonstrate the necessity of accurately modeling the rough contact surfaces in the prediction of natural frequencies, virtual material layer model was compared with the widely used traditional model based on the Master-Slave contact algorithm and experiments, respectively. Results show that the proposed model has a better agreement with experiments than the widely used traditional model (the prediction accuracy is raised by 8.77% when the pre-tightening torque is 0.5 N∙m). Real contact area ratio A* of three different virtual material layers were calculated. Value of A* were discussed with dimensionless load P*, fractal dimension D and fractal roughness G. This work provides a new efficient way for accurately modeling the rough contact surfaces and predicting the natural frequencies of composite bolted joints, which can be used to help engineers in the dynamic design of composite materials.     

Failure mechanisms of bolted flanges in aero-engine casings subjected to impact loading

In this paper, a failure evaluation criterion was proposed for the bolted casing-flange structure under impact loading. Subsequently, ballistic tests with eighteen bolted casing-flange structure specimens were conducted to validate the failure evaluation criterion. Parameter studies were then carried out using the validated FE models. Both the experimental and numerical results demonstrated the accuracy of the failure evaluation criterion. The failure evaluation criterion provided a quick and easy way to determine the failure mode of the casing connection area by using the materials and dimensions of the structure. Based on the failure evaluation criterion, designing the structural failure mode of the bolted casing-flange structure to be between flange failure and bolt failure can improve the impact resistance of the connection area of the aero-engine casings. This investigation revealed that the impact failure is not the unique criterion in evaluating the containment of the casing connection area, structural failure should also be involved in the evaluation criteria.     

Assembly Variation Identification of High Pressure Spool by Response Surface Based Model Updating Using IV-optimal Designs

This article, in order to improve the assembly of the high-pressure spool, presents an assembly variation identification method achieved by response surface method (RSM)-based model updating using IV-optimal designs. The method involves screening out non-relevant assembly parameters using IV-optimal designs and the preload of the joints is chosen as the input features and modal frequency is the only response feature. Emphasis is placed on the construction of response surface models including the interactions between the bolted joints by which the non-linear relationship between the assembly variation caused by the changes of preload and the output frequency variation is established. By achieving an optimal process of selected variables in the model, assembly variation can be identified. With a case study of the laboratory bolted disks as an example, the proposed method is verified and it gives enough accuracy in variation identification. It has been observed that the first-order response surface models considering the interactions between the bolted joints based on the IV-optimal criterion are adequate for assembly purposes.     

止口螺栓连接结构解析建模与阻尼特性分析

针对止口螺栓连接，论文从连接结构轴向拉压力学行为分析出发，提出了可模拟连接非线性刚度和阻尼耗散的扇区模型，基于此进一步构建了弯矩载荷下的非线性解析模型。通过与三维实体有限元模型计算结果的对比分析，验证了所提出模型的有效性，并揭示了连接的非线性刚度特性和迟滞阻尼特性。基于所提出模型研究了关键参数对止口螺栓的阻尼特性的影响规律，结果表明:连接的阻尼耗散能力随弯矩载荷幅值和摩擦因数的增加呈现先增加后降低趋势，而随止口紧度和法兰长度的增加单调增加；法兰长度除对连接的阻尼耗散存在一定影响外，还能显著降低连接结构的等效刚度。      

有拧紧力矩层合板接头静载损伤失效分析

结合三维有限元分析技术,建立了有拧紧力矩工况下层合板接头静载损伤失效分析方法,模拟了不同尺寸类型层合板接头静载作用过程中损伤状况及内部各铺层损伤起始、发展与结构最终破坏整个累积过程,同时获得其最终破坏强度及破坏模式,并对损伤机理形式及其相互关联作用进行了分析探讨.损伤计算结果与试验试样X光进行了对比分析,结果表明,预测结果与试验结果吻合较好.