涡轮盘/榫整体结构优化设计方法

考虑到榫联接和轮盘子午面在结构设计时的相互影响,针对典型的枞树型榫联接,提出了通用的榫联结构/轮盘子午面分步优化设计、总体协调的涡轮盘/榫整体结构优化设计方法.基于ANSYS优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘/榫整体结构总质量最小为优化目标,以涡轮盘/榫联结构关键应力为约束,建立了涡轮盘/榫整体结构优化设计的数学模型.通过对某型发动机涡轮盘和榫联结构设计方案进行结构优化设计,在满足所有几何约束及强度要求的条件下,二齿及三齿盘/榫结构优化后总质量都有明显降低,说明涡轮盘/榫整体结构优化设计方法的合理性;且二齿盘/榫结构的总质量较三齿盘/榫结构明显减小,榫槽底部最大第一主应力也明显降低.任意榫齿数可选的通用涡轮盘/榫整体结构优化设计方法及平台可适用于不同涡轮的结构设计,具有较强的工程实用性.      

涡轮榫接结构多层次设计优化方法

针对航空发动机涡轮榫接结构设计优化,根据不同的阶段和要求开展3个层次的优化:二维模型榫接结构基本参数优化、三维带盘模型榫接结构优化以及叶盘结构的气动-结构强度多学科优化.3个层次的优化是迭代进行的,第1层次构建基本的结构参数,第2层次建立在第1层次优化结果之上,同时考虑与轮盘相互影响的重要参数.在第2层次不能达到最优或不满足要求的前提下,开展第3层次的叶盘结构多学科优化研究,通过调整流道等气动参数,达到气动和结构强度两个学科相对最优.结果表明经过优化第1阶段榫接结构最大径向应力降低12.7%,第2阶段轮盘减质量6.9%,第3阶段气动和强度的综合优化效果提升2.4%,得到满足设计要求的榫接结构.      

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.      

燕尾榫连接结构ANSYS工作平台开发

为简化榫连接结构接触分析操作过程,运用ANSYS2次开发语言UIDL、VC++的MFC框架结构,开发了燕尾形榫连接结构的工作平台。该平台实现了圆弧形和圆柱形榫结构的参数化、接触分析、校验分析等功能,缩短了工程人员在分析过程中的时间消耗,适用所有同类型不同尺寸的榫结构的分析。     

枞树形榫联接结构参数选取及其与应力的关系

论述了榫联接结构的设计特点及要求,特别是对枞树型榫联接的设计特点及榫联接结构的失效模式和振动问题进行了详细介绍。通过算例对枞树型榫头的结构参数与应力关系进行了分析,揭示了榫联接压力角,楔形角,齿形角与剪切应力、挤压应力、弯曲应力的相互关系,可为合理选择几何尺寸提供参考。结果表明:楔形角30°适宜,压力角适当大点,齿形角45°～55°适宜。     

通用过渡圆弧改进设计与榫齿连接结构多变量优化

为了得到更加优良的榫齿连接结构形式,降低榫齿连接结构应力集中水平,提高其疲劳强度,研究了双圆弧过渡对榫齿连接结构应力的影响,推导了通用双圆弧过渡的尺寸关系式,为过渡圆弧的改进与优化提供了理论上的支持.通过对二齿涡轮枞树形榫齿连接结构过渡圆弧的改进,并进行了应力评估,证明了双圆弧过渡结构确实能降低结构的应力集中水平.基于Isight软件平台,利用二次序列非线性优化(NLQPL)方法对榫齿连接结构进行了多变量优化,得到了更加优良的结构形式,最大等效应力下降了19.98%.      

榫连结构几何参数对接触应力的影响

以某燕尾形榫连结构作为研究对象,采用有限元法开展了接触应力分析,用以研究榫连结构几何参数对其接触应力的影响,并应用于工程中榫连结构的强度分析。计算表明榫齿/榫槽接触区边缘存在较高的应力梯度;在此基础上,建立了不同的几何模型以考查关键几何参数对接触应力的影响,例如接触面角度、长度、接触区边缘圆角半径以及接触面几何形式,重点研究了圆弧/直线几何形式下的接触应力分布,并讨论了其几何参数对接触区应力改善的作用;研究结果表明合理选择几何参数可以改善接触区应力分布,提高榫连结构寿命。     

碰摩作用下盘片榫连结构接触特性的响应分析

以某压气机燕尾形榫连结构为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了盘片的有限元模型.用脉冲力模拟局部碰摩时的碰摩力,分析了两种碰摩情况对榫连结构接触特性的影响,首先分析了侵入量为定值时,不同转速对榫连结构接触特性的影响,接着分析了当转速为定值时,不同侵入量对榫连结构接触特性的影响.研究结果表明:随着转速的升高,榫连结构的最大接触压力和最大接触滑移距离不断的增加,最大接触压力变化规律变得更加复杂,而最大接触滑移距离变化规律逐渐趋于稳定并且最大接触滑移距离之间的变化幅度减小.随着侵入量的增加,榫连结构的最大接触压力以及最大接触滑移距离都会增大,但过大的侵入量将导致最大接触滑移距离发生突变.通过分析不同工况下几个节点接触压力及接触滑移距离的频谱响应,发现碰摩会产生转频的高倍频成分,当转频的倍频成分接近叶片固有频率时会出现倍频幅值放大现象.      

摩擦系数对燕尾榫微动疲劳特性的影响

在燕尾榫连接接头的微动疲劳特性分析中,考虑接触表面质量,即摩擦系数的影响.给出了摩擦系数对接头应力水平、摩擦功和微动磨损参数之间的关系.分析表明：按照传统方法,将摩擦系数取为常数时所确定的裂纹萌生位置偏于危险,由于摩擦系数的变化,裂纹既可能在榫头上萌生,也可能在榫槽上萌生;摩擦系数对接头的切向应力和摩擦功等参数也有一定的影响.     

高低周复合载荷燕尾型榫连接微动疲劳的试验研究

分析了国内外对飞机发动机轮盘和叶片的燕尾型榫连接构件微动疲劳的研究现况,对榫连接构件进行受力分析,设计了实验装置,通过实验,认为该实验装置是可行的。通过边界元素法进行了数值计算,分析接触表面当量应力、摩擦功,以及当量应力和摩擦功对疲劳损伤的影响。