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。      

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。     

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。     

考虑螺栓联接的转子系统振动特性分析

针对航空发动机转子振动问题,开展了螺栓法兰联接结构对转子固有特性及不平衡响应的研究。基于有限单元法,结合转子有限元模型及螺栓法兰联接结构的力学模型,建立了考虑螺栓法兰联接的转子动力学模型。基于Newmark-β法求解转子不平衡响应及固有特性,并利用ANSYS仿真软件对结果进行了仿真验证,得到了联接结构刚度对转子固有特性的影响规律。研究结果表明:转子第1阶固有频率对螺栓法兰结构的轴向刚度变化较为敏感;第2阶固有频率对螺栓法兰结构的径向刚度变化较为敏感;第3阶固有频率则对螺栓法兰结构的2种刚度变化均较为敏感;并且转子处的联接刚度会对转子的不平衡响应有一定抑制作用。     

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。      

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。     

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...     

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。      

挤压油膜阻尼器转子系统突加不平衡瞬态响应分析

针对发动机转子在运转时可能发生叶片脱落故障,搭建了带挤压油膜阻尼器双盘转子模拟叶片脱落的转子实验台。对转子系统实验装置进行合理简化,利用仿真软件和实验测试验证了模型的合理性与有效性。仿真分析了转子系统参数和油膜参数对突加不平衡瞬态响应特性的影响。结果表明,油膜间隙、油膜长度和支承刚度比都会对加速响应特性产生影响,其中油膜间隙与振动响应幅值呈正相关,油膜长度与之呈负相关,支承刚度比与之关系不定;合理选择参数取值能够提升转子系统稳定性。     

单圆盘转子非线性振动模型及机理

根据转子非线性振动的力学性质及大变形假设,结合工程实际构建了转子非线性振动具有Duffing方程形式的力学模型,推导了非线性系统的等效频率和频响方程,研究了刚度元件、阻尼元件与非线性元件对系统振动的影响.通过单圆盘转子非线性振动实验,验证了非线性振动模型结构与Duffing方程求解及频响方程的合理性与有效性,揭示了共振、突变、滞后等非线性现象的机理,为转子振动特性分析提供了一种新的研究方法.      

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.      

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.      

对转发动机模拟低压转子动力特性研究

建立了对转发动机模拟低压转子动力特性有限元分析模型,对转子的动力特性—临界转速和振型进行了计算分析,在高速旋转试验器上完成了全转速范围内的动力特性验证试验,并对计算结果和试验结果进行了对比分析。研究表明:计算模型能反映模拟低压转子的真实动力特性,转子在额定工作转速范围内存在3阶弯曲临界转速,各阶临界转速均满足设计准则要求,各阶振型全部为弯曲振型,这是1个非常典型的带柔性轴的柔性转子。     

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。      

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。