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。     

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。     

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。     

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...     

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。      

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。     

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。     

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.     

高速飞行器翼面结构热振动试验的TARMA模型方法

高速飞行器翼面结构的热振动试验研究对这类飞行器的设计和安全飞行具有重要的意义。采用时变自回归滑动平均(TARMA)模型方法建立了受热时变结构系统模态频率辨识的数学模型,并用一个数值算例进行了验证。将地面振动测试系统与瞬态热环境模拟系统相结合,设计了翼面结构热振动试验系统并模拟结构的瞬态温度场,同时对纯随机激振力激励下受热时变结构系统的振动位移信号进行测量,并用TARMA模型对时变固有频率进行了辨识,获得了前4阶固有频率随加热时间的变化规律,并将辨识结果与数值计算结果进行了比较,两者误差在5%以内。另外,在稳态均匀热环境下辨识得到的结构系统固有频率变化与数值计算结果也吻合得很好。通过将均匀温度场与瞬态温度场下的结果进行对比分析,指出了瞬态热环境下时变结构的固有频率随加热时间变化的趋势主要由结构材料属性的退化和结构内部不均匀热应力的影响共同决定。     

基于弹簧质量模型的复合材料螺接修理载荷传递计算方法

复合材料螺接修理具有操作简便,对连接件表面处理的要求不高,施工快速、性能可靠等优点,在复合材料的临时修理、尤其是战伤修理中应用较为广泛。然而其修理设计过程较为复杂,难以满足工程快速定参的需要。在螺接接头弹簧质量模型的基础上,针对蒙皮和补片等宽的情况,提出了一种复合材料螺接修理结构载荷传递比例计算方法。通过引入载荷按刚度分配的原则对模型进行修正,将模型进一步推广到蒙皮宽度大于补片宽度的情况。然后讨论了模型中不同弹簧刚度的计算方法。给出了采用细观力学方法以及均匀化方法等计算含损伤蒙皮等效刚度的计算方法,推导得到了规则排列多列螺栓连接中各排螺栓等效刚度的计算方法,并证明该刚度满足叠加原理。最后,以含圆形损伤孔的复合材料蒙皮板的螺接修理问题为例,对模型进行了考核,并与有限元法（FEM）预测结果进行了对比。结果表明：模型预测结果与有限元结果吻合较好,预测误差最大为7.7%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料螺接修理的分析设计。