航空发动机高速锥齿轮瞬态动力学分析与试验研究

针对航空发动机中央传动锥齿轮由行波共振引起的掉块故障,采用瞬态接触动力学分析方法与试验验证相结合的手段,对行波共振发生时从动锥齿轮的共振特性和应力分布开展研究。基于声测法开展了航空发动机中央传动锥齿轮行波共振试验,研究中央传动锥齿轮行波共振特性,获取了从动锥齿轮行波共振动频、危险转速以及破坏断裂特征。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:试验中出现三节径共振皆是前行波共振,四节径共振是后行波共振;三节径共振危险转速范围为74.2%～76.2%,四节径共振危险转速范围为102.8%～104.2%。数值仿真与试验测试中结构静频值具有一致性,三节径误差小于2%,四节径误差小于5%,验证了仿真计算模型的准确性。仿真计算四节径行波共振时从动锥齿轮齿根处和辐板应力集中,应力分布形式与齿轮故障复现试验断裂形式基本一致,辐板正面应力值大小与试验结果基本吻合,误差在0.5%～9.5%,满足工程级应力预测要求,验证了瞬态接触动力学分析方法对齿轮行波共振应力预测的有效性。试验表明该齿轮结构是否存在初始缺陷是发生齿轮断裂故障的重要因素之一。     

基于局部应力应变场强法的薄壁缺口结构随机声疲劳寿命估算

航空发动机火焰筒结构在随机声激励下的寿命估算属于典型的多轴疲劳问题。对航空薄壁结构随机声疲劳寿命估算的峰值概率密度法和功率谱密度法进行了探讨。在应力场强法的基础上,深入研究了一种用于薄壁缺口结构随机疲劳寿命估算的有效方法——局部应力应变场强法,该方法能同时考虑缺口局部应力梯度和应变梯度对疲劳损伤的影响。以薄壁缺口结构作为研究对象,结合声疲劳问题分析的一般方法,对局部应力应变场强法在声疲劳寿命估算中的运用进行了研究。     

变截面曲梁轴压稳定性研究

由于工程中缺少对变截面曲梁的轴压稳定性及承载能力的分析方法,快速评估变截面曲梁临界失稳载荷是亟待解决的问题。文中采用有限元屈曲和隐式非线性算法结合试验的方法,分别研究了变截面曲梁在轴压载荷下的稳定性,并对变截面曲梁的承载能力进行了拓展分析。分别规划了1种变截面曲梁、2种变截面加强曲梁,对其进行分析及试验研究,将2种有限元方法分析的结果与试验数据进行对比分析,从而,得出隐式非线性方法为快速评估变截面曲梁的临界失稳载荷及承载能力的有效方法。     

基于声测法的齿轮行波共振测试方法

针对航空发动机由行波共振导致的中央传动锥齿轮断裂故障，提出了一种基于声测法的齿轮行波共振转速测试方法， 建立了非接触齿轮行波共振测量系统，该测试方法简便易行，不需要对转子件进行测试改装，直接引出测试部位的声信号进行分 析研究。基于声测法开展了航空发动机中央传动锥齿轮行波共振试验，研究中央传动锥齿轮行波共振特性，获取了从动锥齿轮行 波共振频率、危险转速范围。通过动应力同步测量试验进行对比验证，结果表明：该测试方法和系统可以精准识别和有效监测航 空发动机中央传动锥齿轮行波共振频率和共振转速，行波共振频率误差小于0.025%，共振转速误差小于0.018%。该方法同时适 用于其它齿轮和盘轴的行波共振故障分析，为相关类型齿轮共振试验及故障诊断提供了一种非接触、长时间监控疲劳试验的测量 方法。     

基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究

针对飞机结构中的声疲劳破坏问题,以雨流计数法的基本原理和计数规则为基础,研究了雨流计数法在Mallab语言中的具体实现方法并得到载荷谱,结合材料性能S-N曲线在Miner线性累积损伤理论准则下估算结构疲劳寿命.并以某航空薄壁柱壳结构为例进行疲劳寿命估算,取得了良好的效果,从而为结构的声疲劳寿命估算提供了一种可行的方法.     

中央传动锥齿轮行波共振特征精准识别试验研究

为了精准监测复杂工作环境下航空发动机中央传动锥齿轮行波共振特征,并满足对试验器改装小和测试装置易安装的技术要求。建立了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法和基于替代法原理的动态特性标定方法,研制了导出式噪声测量系统和数字式闭环控制声喇叭行波管装置动态标定系统,解决了复杂环境下的齿轮行波共振声信号测量与数据修正的问题。完成了基于噪声和应力同步测试的某航空发动机中央传动锥齿轮行波共振特性试验,对从动锥齿轮的行波共振频率、共振转速及节径振动声辐射量级进行了分析。研究结果表明：导出式噪声测量方法及系统和动态标定方法及系统有效提高了齿轮行波共振特性的测量精度,可实现高温高油雾环境下齿轮行波共振频率和共振转速的精准识别和有效监测,行波共振频率误差小于0.04%,共振转速误差小于0.005%。四节径后行波共振时的齿轮辐板振动辐射的声压能量是三节径前行波共振时的4.5倍,说明齿轮在高转速发生行波共振会更危险。     

基于雨流计数法和功率谱密度法的随机声疲劳应用研究

针对燃烧室火焰筒结构中的声疲劳问题,研究了2种用于随机声载荷下结构疲劳寿命预估的有效方法。雨流计数法实时计数模型计数简单,直接对载荷时间历程进行计数,克服了以往计数模型的局限性;基于iMner线性理论,提出了基于功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法,并建立了疲劳寿命预估模型。对某型航空发动机燃烧室火焰筒结构进行了疲劳寿命估算,结果表明2种方法对航空薄壁结构随机疲劳寿命分析具有实用性。