航空发动机高压转子前轴承刚度特性分析

为了得到航空发动机高压转子前轴承刚度随发动机工作状态的变化规律,建立了该轴承的刚度分析模型,引入了轴承内、外环配合参数、离心效应、热效应以及联合载荷对轴承刚度特性的影响,数值分析了该轴承的刚度随轴承内、外环配合参数、转速、轴承工作温度及外载荷的变化规律。结果表明,轴承的径向刚度、轴向刚度和角刚度,随轴承内、外环过盈配合量增大而增大,随转速、工作温度和弯矩的增大而减小;径向力增大,轴承的径向刚度增大,轴向刚度和角刚度减小;轴向力增大,轴承的径向刚度减小,轴向刚度和角刚度增大;轴向载荷对该轴承的刚度影响最大。     

联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性演变规律

基于滚动体与套圈之间相互作用与相对位置关系,考虑离心力、陀螺力矩等非线性因素影响,建立了精密角接触球轴承五自由度拟静力学分析模型,并基于逐步搜索法原理对轴承刚度计算模型进行优化,揭示了复杂联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性的演变规律。研究表明:轴向载荷在一定程度上减小轴承内外圈接触角差值,削弱由于转速增大引起的刚度软化现象;力矩载荷与径向载荷单独作用时,均导致轴承接触角、接触力波动幅度增大,沿载荷作用方向轴承刚度增大,垂直于载荷作用方向刚度减小;联合载荷作用下,力矩载荷能够抑制径向载荷引起的轴承内部载荷波动,提高轴承承载能力与使用寿命。      

基于拟动力学高速角接触球轴承动态特性分析

为真实地反映高速角接触球轴承的运转情况,建立了高速角接触球轴承拟动力学分析模型,选用BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)计算方法嵌入高速角接触球轴承拟动力学计算程序,并通过与SKF公司开发的拟动力学分析程序AT74Y001的计算实例进行对比,两者计算误差在5%之内.通过分析不同结构参数合工况参数对轴承动态特性的影响可以得到:随着轴向载荷的增大,内、外圈接触角增大;随着径向载荷的增大,在承载区内圈接触角减小,外圈接触角增大,在非承载区内圈接触角增大,外圈接触角减小;随着转速的增加,轴承内圈接触角的逐渐变大,外圈接触角逐变小;随着钢球数目和轴向载荷的增大,轴承在3个方向刚度逐渐增大;随着内圈沟曲率系数、径向载荷和转速增大,轴承在3个方向刚度逐渐减小.      

考虑轴向力影响的三点接触球轴承刚度特性研究

为探究三点接触球轴承刚度特性,针对某型船用燃气轮机动力涡轮后支承使用的三点接触球轴承,在考虑轴向力影响的情况下,运用数值方法求解并分析了运行工况横向载荷和转速以及结构参数滚动体个数和垫片角对轴承刚度特性的影响规律。结果表明:轴向力对轴承的刚度影响显著,随着轴向力增大,轴承横向刚度减小,轴向刚度增大;横向刚度随横向力与滚动体个数增大而增大;轴向刚度随内圈转速、滚动体个数与垫片角增大而增大;轴向刚度对横向载荷影响不明显。     

计及芯轴变形的轴连轴承载荷分布和刚度计算

因轴连轴承高承载能力和长寿命的性能指标要求,提出三列滚动体混合式结构,通过两端圆柱滚子线接触形式提高轴承整体承载能力。为考核新型轴连轴承承载性能,基于柔性梁理论引入芯轴挠曲变形的影响,采用滚动轴承设计方法,建立新型轴连轴承力学分析模型,在此基础上研究了外载大小、外载位置和游隙因素对轴承载荷分布和刚度的影响。载荷分析表明:径向载荷增加,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩增加,各滚动列最大接触载荷增大;载荷作用距离减小,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩减小,各滚动体列的承载载荷明显下降;滚子列径向游隙的增加,各滚动体列的最大接触载荷增大,承载区域减小,载荷分布均匀性下降。刚度分析表明随着径向载荷增大,各滚动体列主刚度明显上升,而载荷作用距离减小和滚子列径向游隙增加,会造成各滚动体列主刚度一定程度下降。      

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。      

航空发动机中“W”形金属密封环的设计方法

针对密封性和强度,对“W”形金属密封环的压缩率选取范围进行研究。在压缩率确定的基础上,优化“W”形金属密封环所在处机匣的轴向间隙,探究“W”形金属密封环关键结构参数对强度的影响,基于灵敏度分析对“W”形金属密封环的结构参数进一步优化;研究“W”形金属密封环屈曲及轴向刚度间的关系,并采用刚度实验校核模拟结果,为评估屈曲临界载荷提供支持。结果表明:在该典型工况下,“W”形金属密封环的压缩率合理范围为3.2%～6.08%;壁厚对最大等效应力影响最大,最终优化结果为壁厚增大5.0%,波峰、波谷半径增大9.0%,接触半径增大7.7%,圆环外径减小5.8%,最大等效应力减小5.7%;屈曲“W”形金属密封环载荷与轴向刚度线性相关。      

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

泡沫夹芯面板非穿透损伤挖补维修有限元分析

建立了SR20飞机含非穿透损伤复合材料泡沫夹芯结构壁板挖补维修的三维有限元模型。分析了有限元模型的收敛性,给出了合理的网格划分密度。对单向拉伸和双拉伸载荷下含非穿透损伤泡沫夹芯结构进行了应力分析,给出了完好结构和维修后结构面板各材料主方向应力分布。基于最大应力准则给出了完好结构和维修后结构的单向拉伸强度和双向拉伸强度。分析结果表明,维修后的结构在单向拉伸状态下,初始损伤为面内剪切失效,应力极值点位于母板上临近维修铺层边界处与x方向结构对称轴约成30°的位置;双向拉伸状态下,初始损伤为纤维拉伸断裂,应力极值点位于母板上维修铺层边界处与x方向结构对称轴约成45°的位置。在理想修复状态下,单向拉伸时的强度恢复系数为85.8%,双向拉伸时强度恢复系数为96.7%。维修区域材料不连续,导致应力集中,使结构维修后强度下降。维修后强度随表面贴补铺层数增加而降低,原因为贴补铺层增大了局部刚度,使维修区域应力水平升高。     

薄壁交叉圆柱滚子轴承最佳径向工作游隙

以型号为RA8008UUCC0对数修形的薄壁交叉圆柱滚子轴承为分析对象,借助RomaxDesigner软件对比分析在联合载荷作用下径向工作游隙对承载滚子数、滚子最大载荷、滚道应力分布、轴承刚度、最小油膜厚度和疲劳寿命的影响情况,得出径向工作游隙是影响轴承力学性能的关键因素,结果表明:轴承受载滚子数随游隙的减小而增多,滚子与滚道接触应力分布趋于均匀化,相同条件下,倾覆力矩的影响比较显著。联合载荷作用下,随着工作游隙的减小,轴承刚度增大。当径向工作游隙小于-0.002mm时,随着径向工作游隙绝对值的增大,滚子与滚道接触变形减小,接触应力增大,刚度增大,最小油膜厚度减小,轴承寿命降低。同一径向工作游隙下,倾覆力矩可以减小滚子与轴承内外圈之间的油膜厚度,从而显著降低轴承疲劳寿命,轴承最佳径向工作游隙范围为-0.004~0mm。     

风扇叶片丢失激励下转子-支承系统结构安全性设计策略

以高涵道比涡扇发动机风扇叶片丢失载荷激励下的转子-支承系统为研究对象,提出了一套结构安全性设计策略,即通过支承方案与载荷分配、变刚度支承结构和支承结构变形控制,结合转子结构动力学特性设计,实现转子结构安全性设计.研究表明:风扇后支点采用变刚度支承结构设计,能够在转子减速停车过程中减小风扇局部振动临界转速与相应振幅.通过设计滚珠轴承支承锥壳锥角,能够使支承具有较高的轴向承载能力并减小转轴变形对滚珠轴承的影响.轴承座底部与转轴间采用鼓形配合面连接设计,能够在大弯矩作用下通过配合面相互滑移避免支承随转轴变形,保证轴承安全.研究结果可为恶劣载荷作用下高涵道比涡扇发动机结构安全性设计提供依据.      

偏角对螺旋桨气动性能影响的数值分析

基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,数值模拟了螺旋桨侧飞状态时的运动过程,仿真研究了侧偏角对螺旋桨气动性能的影响。主要结论有:由于螺旋桨轴向速度随着偏角的增大逐渐减小,所以螺旋桨轴向拉力随着偏角的增大逐渐增大,螺旋桨的侧向阻力随着偏角的增大逐渐减小。桨叶上的分离区域随着偏角的增大逐渐增大,当偏角为0°、30°、60°时,桨叶上分离涡的尺度随着桨径的增大逐渐增大,当偏角为90°时,分离涡的尺度随着桨径的增大逐渐减小。     

惯导系统旋转机构轴承动力学建模方法研究

旋转机构是旋转调制捷联惯导系统的关键部件之一。为了精确模拟旋转机构的动力学特性,研究了支撑旋转轴系的双列球轴承的动力学建模方法,提出了使用Bushing单元来建立同时具有径向移动刚度、轴向移动刚度和径向角刚度的三向刚度轴承动力学模型的方法。利用有限元数值仿真方法计算了三向刚度数值,并利用轴承手册上的经验公式进行了验证。在此基础上,建立了含弹性轴承支撑的旋转调制捷联惯导系统旋转机构的结构动力学有限元模型,分析比较了轴承有无角刚度两种状态下的固有模态。分析结果表明:对于旋转调制捷联惯导系统旋转机构来说,轴承模型角刚度对计算精度的影响较大,角刚度已知的模型更接近真实情况。     

支撑刚度对行星传动系统动态均载特性的影响

考虑了行星架微位移、时变啮合刚度、旋转阻尼和构件自重,建立了行星传动系统动力学微分方程.利用多领域工程系统建模、分析与优化语言Modelica进行求解,分析了各主要构件支撑刚度对行星传动系统均载特性的影响.研究结果表明:刚性支撑条件下,较小的系统误差都将引起行星轮间载荷分配严重不均匀.一个或者多个构件的支撑刚度小于107N/m时系统能获得较好的均载效果.在构件支撑刚度敏感区间,随着该构件支撑刚度的增大,系统均载性能将迅速恶化.多个构件支撑刚度减小时,系统的均载效果比单个构件支撑刚度减小要好.改变其中某个行星轮的支撑刚度会使载荷在行星轮间重新分配,降低某个行星轮的支撑刚度,其分配的载荷减小.      

扭转刚度对双输入圆柱齿轮分流传动系统动力学均载系数的影响

建立了双输入圆柱齿轮分流传动系统的弯扭耦合动力学模型,模型中考虑了各齿轮副间的时变啮合刚度、齿侧间隙、啮合误差、啮合阻尼等因素.结合闭环结构特点,利用齿轮啮合线的相对位移和传动轴扭转位移消除方程中的刚体位移.采用4阶Runge-Kutta法求解系统动力学方程,获得了系统均载系数.结果表明:系统均载系数受输入轴扭转刚度影响小;分流级和并车级均载系数对双联齿轮轴的扭转刚度敏感,减小双联齿轮轴的扭转刚度可以改善系统的均载性能,当双联齿轮轴的扭转刚度小于1.1×105（N·m）/rad时,可将系统均载系数控制在1.06以内;输出轴扭转刚度的变化对分流级和并车级均载系数基本没有影响.      

界面连接多盘转子旋转惯性模型及动力响应特性

针对工作在超临界状态下带有界面连接的多盘转子系统,采用惯性主轴偏斜描述质量分布,考虑各轮盘旋转惯性载荷随转速和弯曲变形变化的特征,建立了高速多盘转子力学模型。在定量描述加工/装配误差和连接结构接触状态影响下各级轮盘质量分布的基础上,探究了转子动力响应及支点动载荷幅值和相位随转速的变化规律。理论模型及仿真结果表明：在超临界状态下,转子旋转惯性力矩会使支点动载荷幅值随转速继续增大;而高转速状态下,连接结构接触状态的变化可能使多盘转子的质量分布发生改变,转子惯性主轴趋近旋转中心线,转子所受的旋转惯性载荷减小,体现出振动突降的响应特征。     

刷式密封摩擦热效应数值与实验研究

刷式密封刷丝与转子表面高速接触摩擦产生的摩擦热效应直接影响刷式密封封严性能和使用寿命。基于刷丝-转子系统热固耦合方法建立了刷式密封摩擦热效应数值求解模型,设计搭建了刷式密封摩擦热效应实验装置,应用热成像仪实验研究了刷丝温度分布特性,在实验验证刷丝-转子系统热固耦合数值求解模型准确性基础上,研究了转速、干涉量、刷丝安装角、摩擦时长、刷丝束厚度、后挡板长度对刷式密封摩擦热效应的影响。研究结果表明：刷式密封刷丝温度数值计算与实验测量平均误差为8.9%,建立的刷丝-转子系统热固耦合模型具有较高准确性。实验研究得出刷式密封最高温度随刷丝束厚度增大逐渐增大;刷丝束最高温度随着后挡板长度减小而逐渐降低;最高温度随干涉量的增大逐渐增大,0.4 mm相较于0.3 mm干涉量最高温度升高了59.0℃,随着摩擦时长增大,刷丝与转子磨损量减小,温度逐渐下降。数值计算得出刷丝束应力最大值出现在刷丝固定端,接触变形最大值出现在中排刷丝尖端,最大温度值出现在刷丝自由端。刷式密封最高温度随着刷丝安装角的增大而降低;最高温度随着转速的上升逐渐增大,2 000 r/min转速相对于600 r/min转速最高温度提高了4....     

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。      

螺旋角对航空燃油齿轮泵性能及流量脉动特性的影响

为研究螺旋角对航空燃油齿轮泵性能参数的影响规律，通过坐标变换推导了以圆弧-渐开线-圆弧为端面型线的7齿齿轮泵的型线方程，基于动网格技术和RNG k-ε湍流模型对该泵进行三维瞬态流场数值模拟。通过选定不同的重合度系数，计算比较了4种不同螺旋角齿轮泵的流量特性。研究结果表明：螺旋角对该齿轮泵性能有显著影响，随着螺旋角的增大，齿轮泵出口流量脉动系数呈下降趋势；随着螺旋角依次增大，其他三种角度泵的出口平均流量与螺旋角为23.74°的泵相比分别变化：+1.82%,+2.4%,+0.66%，呈先增后减趋势；经小波变换对齿轮径、轴向受力脉动频率进行分析，其脉动频率与齿轮啮合呈周期性相关；随着螺旋角的增大，齿轮相邻腔室间压力分布逐渐趋于均匀。