圆弧齿榫接结构应力的数值计算与分析

对两圆柱体接触问题和平面接触问题进行分析,探讨了接触区应力的收敛性.对某枞树形圆弧齿榫接结构的接触区应力进行了数值计算和分析.利用有限元软件ANSYS进行了接触分析,对比了梯形齿和圆弧齿榫接结构的应力结果,并采用光弹实验进行了验证.研究结果认为,与梯形齿榫接结构相比,圆弧齿榫接结构使接触应力、第三主应力和等效应力等降低.在此基础上,对圆弧齿榫接结构进行了优化分析,通过优化进一步降低了榫接结构的应力水平.      

弹塑性接触有限元分析的凝缩法

 解决弹性接触问题可用一种新的弹塑性接触有限元计算方法,即有限元混合法与弹塑性有限元分析的凝缩法结合而成,能显著地节省计算时间。文中对涡轮盘榫槽与叶片榫头的接触问题进行了计算分析。     

榫连接结构微动疲劳寿命研究

根据航空发动机叶片和轮盘的榫连接结构接触区域的几何特性,对其微动疲劳接触问题进行了简化.通过有限元方法对简化模型进行数值计算分析,获取相应的应力、应变和位移.将临界平面法和微动损伤机理相结合,提出了一个微动损伤参量,并建立相应的微动疲劳寿命预测模型.将TC11试验件和榫连接构件的微动疲劳试验寿命与预测寿命进行比较分析.结果表明:所建立的微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2倍因子以内.      

涡轮叶片榫连接结构接触变形测量方法研究

航空发动机涡轮叶片与涡轮盘的连接往往采用枞树形榫头、榫槽的连接形式,其接触面的失效以微动磨损疲劳破坏的形式出现,它与榫齿工作面的接触应力及工作面之间的滑动参数有关。本方法利用光弹性模型的形变记忆功能及云纹干涉法测量了接触面的位移场,为分析接触应力及滑动参数提供了更接近实际情况的数据;解决了带滑动的接触应力的测量方法,结合数值计算将大大推动众多工程接触问题的研究。     

转子系统套齿结构动力学设计方法研究

对转子系统套齿结构进行了动力学分析,运用接触有限元方法建立了转子系统套齿结构的计算分析模型;研究了定位面间距、定位面配合紧度和接触面积等结构参数以及载荷对套齿结构连接刚度和接触状态的影响规律;在此基础上提出了套齿结构的动力学设计方法,包括连接刚度设计方法和接触状态设计方法;对某型发动机涡轮转子套齿结构进行了计算与分析,验证了所提出的套齿结构动力学设计方法的可行性。     

榫头-榫槽连接的盘/片结构接触问题计算

燃气涡轮发动机盘/片组合结构的强度计算较多局限于对孤立的轮盘或叶片加以分析,或者将盘/片作为一个完整的连续体进行计算。但对于松动配合的盘/片结构(带枞树型、燕尾型叶根)用连续体模型是不合适的的。另外松动安装的叶片在离心力作用下有一个自动定心过程,这一过程也难以用局部接触分析方法处理,因此考虑榫头—榫槽连接的盘/片组合结构是合理的。本文处理盘/片组合结构的接触问题采用了带线性不等式约束的二次规划—LCQP方法。这在形式上比直接用有限元(或边界元),加入适当边界条件的方法更为简练、明确,便于从数学上对算法进行分析研究,而且还可运用二次规划研究的新成果,有利于提高计算速度和精度。利用本文结果也能进一步研究连接刚度对盘/片结构动频的影响[1]。      

枞树形榫连结构接触应力的有限元分析及建模研究

采用有限元法对赫兹接触问题进行了分析,计算结果同解析解吻合很好,进而明确了有限元法求解接触问题的一般流程及难点。以某发动机涡轮盘三齿枞树形榫齿,榫槽连接结构作为研究对象,分析其接触应力。计算结果表明,接触区边缘存在较高的应力梯度,接触应力的有限元解同网格疏密度密切相关。通过建立一系列不同密度网格模型开展了有限元建模研究。以改善接触应力的求解精度．同时得出了一些具有工程指导意义的结论。     

发动机榫头/榫槽接触问题的可靠性形状优化设计

在结构可靠性形状优化的基础上，推导了接触问题随机有限元的灵敏度解析分析表达式，给出了优化分析的基本步骤，并对某发动机燕尾型榫头／榫槽接触结构，选取榫头齿颈宽和齿面倾斜角为设计变量，以榫头最大拉伸应力、齿面挤压应力及可靠度指标为约束条件，对榫头边界上节点的最大当量应力进行了优化分析。结果表明，优化后榫头和榫槽接触面上的接触压力、当量应力及可靠度指标的分布更加均匀，验证了优化分析模型的合理性及所提出的可靠性形状优化设计方法的有效性，为榫头／榫槽的结构设计提供有价值的参考。     

涡轮复杂气冷叶盘结构变形分析模型简化方法

基于高压转子开展高压(HP)涡轮转子叶片叶尖变形分析可提高叶尖间隙的数值模拟精度,而高压涡轮转子叶片由于其复杂的气冷结构,有限元分析网格数量巨大;叶片和轮盘的榫接结构属于非线性分析,也需要足够的计算机时。针对该问题提出了一种复杂气冷叶片的简化方法和榫接结构接触计算简化方法,在不影响计算精度的前提下提高计算效率。采用该方法对典型结构高压涡轮转子进行了变形分析,与采用复杂气冷叶片模型和接触分析方法的变形分析结果进行比较。结果表明:涡轮叶片叶尖最大径向变形相对误差为0.47%,计算机时减少99%,证明简化方法和计算方法的有效性。      

重型燃气轮机压气机第一级转子叶片断裂分析

为了明确某燃气轮机压气机第1级转子叶片在工作过程中断裂失效的性质和产生原因,通过外观检查、断口分析、表面检查、成分分析、组织检查、硬度测试和强度计算等手段进行分析。结果表明:故障叶片为疲劳断裂;在工作过程中叶尖与机匣处理环异常碰摩,使叶片承受非正常冲击载荷是导致故障叶片产生疲劳裂纹的主要原因;榫齿出现微动磨损及其未进行喷丸强化对裂纹萌生起促进作用。提出了对叶片榫齿工作面进行喷丸表面强化,控制合理的叶片与机匣处理环之间的间隙的改进建议,避免类似故障发生。     

Precise modeling of arc tooth face-gear with transition curve

A fabrication method is adopted for which an imaginary gear simultaneously realizes conjugated meshing with an arc tooth cylindrical gear and an arc tooth face-gear. The cutter fillet and tooth crest edge form the tooth root fillet of the gear, and the linear tooth surface equation of the imaginary gear and the position vector of the curvature center of the cutter fillet arc constructed with certain cutter inclination to deduce a working arc tooth surface equation. The tooth root fillet equation of the arc tooth face-gear is derived from the meshing geometry and kinematics. A numer- ically controlled machining model of the arc tooth face-gear is established through the transforma- tion of adjustment parameters from the cutter-tilt milling machine to a common multi-axis NC machine. Motion parameters of each movement axis of the NC machine are acquired. A processing example is presented to verify the precision of the fabrication method in processing the arc tooth face-gear. The method provides a theoretical and tentative basis for the analysis of tooth surface contact stress, tooth root bending stress and dynamics. A hobbing test is conducted to demonstrate the good meshing condition of the arc tooth face-gear pair.     

采用碟形砂轮的面齿轮磨齿方法理论分析

为了制造出高精度硬齿面面齿轮和获得抛物线传动误差并提高传动稳定性,提出一种采用碟形砂轮加工面齿轮的磨齿方法.分析了碟形砂轮磨削面齿轮的展成原理和碟形砂轮的运动,根据展成原理推导了碟形砂轮的齿面方程,使用渐开线失配的碟形砂轮和改变砂轮的运动,推导出双向修形面齿轮的齿面方程.建立了双向修形面齿轮和常规渐开线小齿轮啮合的齿面接触分析模型,齿面计算和齿面接触分析实例表明,采用碟形砂轮加工双向修形面齿轮的磨齿方法是可行的,获得了面齿轮抛物线传动误差,避免了边缘接触并提高了传动的稳定性.      

基于接触有限元的面齿轮传动弯曲强度研究

为了获得真实的面齿轮过渡曲面,推导了当插齿刀顶部为圆角时的过渡曲面方程.针对面齿轮齿面结构的特殊性,提出了有限元模型的"网格筛选法",纠正了单元形状的扭曲现象.以轮齿接触分析(TCA)为基础,采用三维接触有限元方法计算了面齿轮副的啮合过程中及其它参数变化时弯曲应力的变化.计算发现名义压力角参数和面齿轮轴向调整对弯曲强度都有重要影响.      

涡轮盘疲劳寿命评估流程及应用

建立了较完整的涡轮盘疲劳寿命评估流程,并以一个涡轮转子模型的分析实例给出了寿命评估流程的实施过程,同时探索了涡轮盘考核部位模拟试验件设计的方法。结果表明:所建立的涡轮盘寿命评估流程具有较强的工程实用性,所发展的寿命方程参数确定方法可有效利用现有材料手册中各种材料基础试验数据并能获得一组物理意义明确的参数,此寿命方程预测的寿命精度在2倍分散带之内;通过涡轮盘计算分析发现应力梯度是影响涡轮盘中心孔、螺栓孔边以及过渡圆角等部位寿命的关键因素,需在设计过程中重点关注;通过带缺口的平板模型算例模拟了涡轮盘危险部位的应力梯度特征,实现试验件缺口部位的应力梯度与涡轮盘考核部位的相对梯度特征接近,并提供了缺口模拟试验件设计方法,为使用简单缺口试验件评估涡轮盘考核点的寿命提供了技术途径。      

Design of face-hobbed spiral bevel gears with reduced maximum tooth contact pressure and transmission errors

The aim of this study is to define optimal tooth modifications, introduced by appropriately chosen head-cutter geometry and machine tool setting, to simultaneously minimize tooth contact pressure and angular displacement error of the driven gear (transmission error) of face-hobbed spiral bevel gears. As a result of these modifications, the gear pair becomes mismatched, and a point contact replaces the theoretical line contact. In the applied loaded tooth contact analysis it is assumed that the point contact under load is spreading over a surface along the whole or part of the ’’potential’’ contact line. A computer program was developed to implement the formulation provided above. By using this program the influence of tooth modifications introduced by the variation in machine tool settings and in head cutter data on load and pressure distributions, transmission errors, and fillet stresses is investigated and discussed. The correlation between the ease-off obtained by pinion tooth modifications and the corresponding tooth contact pressure distribution is investigated and the obtained results are presented.     

基于归一化参数模型的涡轮盘和涡轮叶片蠕变分析

为完整描述构件3个阶段的蠕变变形计算,结合所发展的各向同性材料的归一化参数蠕变模型,进一步拓展到正交各向异性材料的归一化参数蠕变模型并进行适用性验证。应用所编制的子程序对高温材料涡轮盘和定向结晶材料涡轮叶片结构,进行了蠕变变形及应力松弛效应计算分析。结果表明：经过一定时间的蠕变变形,涡轮盘和涡轮叶片的高应力区会出现应力松弛。总体上轮盘的应力分布更加均匀,静力分析得到的轮盘中心孔、螺栓孔边和轮缘辐板过渡段处高应力区,由于存在蠕变变形,均出现较明显的应力松弛,但是盘中心孔处的应力松弛幅度较小,可能长时间处于高应力状态,应作为结构设计的危险部位重点考查;涡轮叶片也具有同样的应力松弛蠕变效应,特别是随着蠕变变形的增大,叶尖径向变形(位移)逐渐增大,在结构设计中,应考虑叶片叶尖与机匣长期工作径向碰摩而带来的不利影响。     

液体火箭发动机音叉式涡轮叶盘振动特性研究 (液体火箭推进专刊)

某液体火箭发动机采用整体叶盘音叉式涡轮转子，该转子盘-轴根部圆角试车考核中曾多次出现裂纹故障。为推断裂纹产生原因，通过数值计算及模态实验获取了该转子受力状态、振型、阻尼比等结构振动特性。结合振动信号分析，将裂纹故障原因聚焦到叶盘的二节径型振动。通过高频速变压力测量，得到涡轮流场内压力脉动数据，间接获取了该转子工作状态下的振动特性。试验表明被测涡轮转子流场通道内，分频幅值最大压力脉动对应涡轮转子2节径前行波振动，幅值约为11KPa。分析确定涡轮叶盘二节径振动是故障产生的主要原因。     

盘形铣刀加工等基圆锥齿轮的原理及齿面求解

为了实现等基圆锥齿轮的高速、高效加工,基于等基圆锥齿轮理论,分析了盘形铣刀加工等基圆锥齿轮的可行性,建立了盘形铣刀数学模型、盘形铣刀加工坐标系,分析并确立了各坐标系间的转换关系.通过刀具曲面与齿面在共轭接触点处啮合方程的建立及求解,得到了盘形铣刀加工的等基圆齿面表达式.对盘形铣刀加工理论下的等基圆锥齿轮齿面与理论等基圆齿面进行了分析比较,进行了盘形铣刀的仿真加工.结果表明:通过盘形铣刀截形、盘形铣刀加工运动中的回转角度、倾斜角度及倾斜中心点的合理设计,盘形铣刀加工而成的实际齿面与理论齿面的接近程度达到工程要求,使用盘形铣刀可以加工等基圆锥齿轮.      

盘形锥齿轮振动特性和故障分析

本文用试验和分析方法研究了A、B两种盘形锥齿轮在旋转条件下正常啮合时的振动特性和几种因素对振动特性的影响,并对A型齿轮断块故障作了分析,可供排除此类齿轮成块断裂故障参考。     

对直升机增速齿轮传动中大齿轮齿根弯曲疲劳应力计算的研究

作者系统地研究了影响直升机增速齿轮传动中大齿轮齿根弯曲疲劳应力的诸因素,并推导出包括齿间滑动摩擦力在内的实际外载荷作用下大齿轮齿根弯曲疲劳应力计算公式。研究表明,齿间摩擦力对大齿根弯曲疲劳强度的影响不可忽视。