基于非线性阻尼的航空发动机高压转子拉杆结构装配检测方法

 为了提高航空发动机高压转子拉杆结构的装配质量,提出了基于非线性阻尼的装配检测方法。该方法运用组合阻尼模型描述拉杆结构的非线性接触特性,并通过能量方程推导出基于Hilbert-Huang变换(HHT)方法的非线性阻尼的识别公式。在拉杆结构正常装配、单个螺栓松动和2个不相邻螺栓松动的3种情况下,采用非线性阻尼识别法进行实验,将3种情况得到的实验结果进行对比,发现基于组合阻尼模型得到的非线性阻尼与装配情况具有强烈的相关性,从而验证了基于非线性阻尼的装配检测方法的有效性。     

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...     

机匣螺栓连接分区域薄层单元建模方法

机匣连接的螺栓预紧力大小对其动力学特性影响较大。为更准确反映其接触刚度随预紧力的变化情况,采用分区域薄层单元方法代替螺栓连接部分,并基于螺栓连接超模型刚度理论、赫兹接触理论以及M-B分形模型,推导出不同螺栓预紧力下分区域薄层单元的弹性模量,模拟机匣连接部分的轴向接触刚度,给出螺栓连接机匣简化建模方法。并以1个螺栓连接试验机匣为例,对比在不同螺栓预紧力下机匣仿真频率与模态试验频率,最大误差仅为2.83%。结果表明:分区域薄层单元建模方法能够有效地对不同预紧力下的螺栓连接机匣进行简化建模。     

干涉对复合材料机械连接强度的影响

采用ANSYS10.0软件,以有限元分析为主要手段分别对间隙配合及干涉配合复合材料机械连接进行了三维模拟。在模拟过程中综合考虑了复合材料特性、螺栓与复合材料板及复合材料板与复合材料板之间的摩擦和接触以及螺栓和复合材料板的约束条件。解决了复合材料干涉配合高精度有限元模拟的关键技术,并通过预紧单元引入拧紧力矩。以此为基础,研究了间隙及干涉对复合材料机械连接强度的影响。结果表明:在复合材料机械连接中采用干涉量适当的干涉配合可以有效提高接头强度。     

Modeling on mechanical behavior and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under thermal effects

This paper reports the modeling method and outcomes of mechanical performance and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under extreme temperatures. The anisotropic continuum damage model involving thermal effects is established on continuum damage mechanics which integrates the shear nonlinearity constitutive relations characterized by Romberg-Osgood equation. The temperature-induced modification of thermal strains and material properties is incorporated in stress-strain analysis, extended 3D failure criteria and exponential damage evolution rules. The proposed model is calibrated and employed to simulate behavior of composite joints in interference fitting, bolt preloading, thermal and bearing loading processes, during which the influence of interference-fit sizes, preload levels, laminate layups and service temperatures is thoroughly investigated. The predicated interfacial behavior, bearing response and failure modes are in good agreement with experimental tests. The numerical model is even capable of reflecting some non-intuitive experimental findings such as residual stress relaxation and matrix softening at elevated temperatures.     

计及不确定性因素的结合面参数识别

结合面参数识别是复杂结构动力学建模的关键问题。由于连接结构的接触面的大小、摩擦系数，以及安装预应力等相关参数存在不确定性，本文提出把连接结构的接触刚度及接触阻尼作为随机分布参数处理，并使用基于响应面法的模型修正方法和分布代数方法进行识别，方法可行，便于实际工程应用。研究表明，连接结构参数具有正态分布或近似正态分布的特点；用线性有限元模型加上具有正态分布的接触刚度、接触阻尼模型可以描述真实结构的动态特性。     

基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法

接触刚度和阻尼是影响螺栓连接的装配结构动力学特性的关键参数,为了实现接触刚度和阻尼的同时识别,在前期开展的螺栓连接结构接触刚度识别的基础上,提出一种基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法。通过在单螺栓连接结构中巧妙引入试验垫片,通过试验获得有界、对称且均匀接触状态下结构的固有特性与动态响应;进而建立模拟接触面刚度与阻尼的薄层单元,并仿真获得结构的动态响应特性;通过结构固有频率测试与仿真结果构建误差函数实现接触刚度识别,通过动态响应测试与仿真结果构建误差函数实现接触阻尼的识别,进而获得接触刚度与阻尼随接触法向力变化的模型。结果表明,接触刚度随法向力非线性增大而接触阻尼则非线性减小,当法向力较大时,接触刚度和阻尼趋于稳定。研究结果为接触刚度和阻尼的同时识别提供了一种行之有效的方法,识别平均误差分别为4.5%、14.8%,所识别的刚度和阻尼以合适的薄层单元形式,可直接应用到包含多接触面的装配系统动力学分析中。     

螺栓联接结构模态频率有限元计算的简化方法

螺栓联接是机械结构中广泛采用的联接形式,而螺栓预紧力是影响螺栓连接结构的模态频率值的主要因素。通过对经典螺栓理论进行研究,提出了一种模拟螺栓预紧力的简化方法,并使用有限元软件对简化前后的螺栓联接结构进行了模态分析。研究表明,该方法模拟螺栓联接预紧力所得的模态频率的结果与模态试验结果吻合较好,并且与简化前螺栓联接结构的有限元计算结果有很好的一致性,并且计算速度有很大提高。表明所提出的方法可行,能满足工程要求,具有一定的应用价值。     

剪切载荷下航空发动机螺栓松动行为及其临界值的数值模拟研究

为研究剪切载荷下螺栓连接结构松动行为,首先建立了多种螺栓连接结构精细有限元模型,进行了全六面体网格划分,并运用Yamamoto方法和Spowith方法验证了模型的有效性,然后通过多种模型仿真对比,分阶段首次研究了不同影响因素下塑性松动期、旋转松动期内以及整个松动期内的螺栓松动行为及其重要临界值.结果表明:剪切载荷下螺栓...     

正反顺序加载下安装边螺栓预紧力分散度的数值模拟与试验验证

在航空发动机机匣安装边装配过程中,不同位置螺栓之间会产生弹性交互作用,不同加载方案会使装配后的螺栓预紧力存在一定的分散度。针对这一问题,建立了3层带止口机匣安装边3维接触有限元模型,研究不同加载方案下螺栓预紧力的施加方法。基于有限元模型数值模拟了3层机匣安装边分别在顺序加载方案、交叉加载方案和正反顺序2轮加载方案下螺栓预紧力的分散度。搭建了相应的试验装置,分别对3种加载方案的预紧力分散度进行试验验证。结果表明：采用正反顺序2轮加载后的螺栓预紧力分散度最小,在3层止口机匣安装边上采用正反顺序2轮加载方案后的螺栓预紧力分散度较小,在有限元仿真中螺栓预紧力分散度为2.43%,在试验中螺栓预紧力分散度为4.98%。采用此方案加载后,止口机匣安装边能达到更好的密封效果和较好的刚度对称性。     

多钉连接初始破坏强度的工程方法研究

采用有限元方法对复合材料层压板多钉机械连接载荷分配及其承载能力进行了研究,以一列三钉为例对比工程计算中提出的直接计算法与载荷比例法求解多钉连接初始破坏载荷的计算精度及适用范围,得出的结论对复合材料层压板多钉机械连接设计具有一定的工程参考价值.     

2219铝合金搅拌摩擦焊缝装配质量的响应曲面法建模及分析

焊缝间隙、焊缝错缝量以及搅拌针与焊缝中心的对中情况(简称焊缝对中)等三项条件作为焊缝装配质量的构成要素,对铝合金搅拌摩擦焊焊缝接头的性能有较为明显的影响。针对航天焊接结构件中常用的2219铝合金,为了能综合反映焊缝装配质量对搅拌摩擦焊缝接头性能的综合影响,利用响应面法建立了焊缝装配质量三要素与焊缝接头强度及延伸率之间的数学模型,分析了焊缝间隙、焊缝错缝量及焊缝对中对焊缝接头性能的影响情况。通过实验发现,焊缝间隙依然是影响焊缝接头性能的关键因素,而焊缝错缝量及焊缝对中会使焊缝接头性能表现出非对称性。该方法为焊缝装配质量的量化描述提供了数学模型,并且利用响应面法所获得的数学模型,可以为制定合理的焊缝装配条件提供指导依据,避免了传统针对单个装配要素进行研究的弊端,并且具有良好的工程应用前景。     

盘一盘螺栓连接结构模态频率分析

基于ANSYSWorkbench软件,采用层单元法和多点约束技术,模拟了盘一盘螺栓连接结构的螺栓预紧力,对其进行了模态分析,并与试验结果进行了比较。研究表明：采用层单元法模拟螺栓预紧力的模态结果与试验结果吻合较好,为在预紧力作用下螺栓连接结构模态频率的有限元计算提供了1种有效方法。     

Combined and interactive effects of interference fit and preloads on composite joints

The combined and interactive effects of the bolt-hole fit conditions and the preloads of the fasteners on the load carrying capacity of single-lap composite-to-titanium bolted joints have been investigated both experimentally and numerically. Quasi-static tests of the hybrid joints with different fit conditions are implemented, and a three dimensional finite element progressive failure analysis model is proposed to predict the influences of the bolt-hole fit conditions and fastener＇s pre- loads on the mechanical behaviors of the joints. Based on the experimental validated simulation method, a multi-factor, mixed levels orthogonal design table and the analysis of variance method are used to arrange the simulation conditions and to further study the interactive effects of preloads and fit conditions. Through the analysis of the results, for the researched double bolt, single-lap composite-titanium joints, it is found that： the effects of both the interference fit and the preloads change from positive into negative mode with the increase of the interference fit values or preload values; appropriate bolt-hole fit conditions and preloads can improve the bolt-hole contact conditions of the loaded joints, and then retard the fiber failures around the fastener holes, and increase the load carrying capacity of the joints eventually; the interactive effect of the bolt-hole interference fit conditions and preloads cannot be ignored and the parameters need to be considered together and synthetically as the joints are being optimized.     

基于ARLEQUIN方法的复合材料螺栓连接失效模拟

将ARLEQUIN方法应用于螺栓连接件的挤压失效模拟中,将连接件层合板分为孔边局部损伤区、无损伤区和过渡区。局部损伤区精细化划分网格,无损伤区采用粗网格划分,过渡区通用ARLEQUIN方法将损伤区和无损伤区进行耦合。采用用户自定义单元在ABAQUS中引入ARLEQUIN方法,实现了基于ARLEQUIN方法的复合材料螺栓连接的三维有限元失效模拟。建立了传统有限元模型和ARLEQUIN模型,并与试验结果进行了对比,表明在保证与传统有限元模型相同计算精度的情况下,采用ARLEQUIN方法进行复合材料螺栓连接失效模拟大大降低了计算资源,具有更高的效率。     

航空发动机安装边螺栓连接密封特性试验

通过试验的方法对影响安装边螺栓连接结构密封特性的因素进行了系统分析与研究,设计和搭建了安装边螺栓连接密封特性试验系统,研究了螺栓加载方案、预紧力和螺栓数量对安装边密封特性的影响规律。研究表明:JIS B 2251加载方案可以获得更均匀的预紧力,与其他方案相比,气体泄漏持续的时间长,达到600s,且加载工作量小;增大预紧力可使压力下降的持续时间增加,从6.0kN的400s至7.5kN的540s和9.0kN的650s;螺栓数量的增加使得t=0时刻的泄漏率从2.6cm3/s降到1.7cm3/s,从而提升试验件的密封性能。该研究可为安装边密封特性分析与结构设计提供参考。      

飞机螺栓双剪连接结构有限元应力分析

为了设计更加高效和安全的航空航天结构元件,对螺栓连接进行精确的应力和应变分析是相当重要的。对飞机结构中广泛使用的铝合金7075 T6螺栓连接板进行了有限元建模,采用单螺栓和双螺母配合的双搭接连接,在建立有限元模型后,模拟施加三个不同大小的预紧力并附加不同的纵向拉伸载荷。螺栓连接中各个部件之间的接触采用三维面面接触单元来模拟,数值分析中考虑了摩擦效应,此外,还模拟了螺栓和板之间的间隙。有限元计算结果显示,由于施加预紧力而在孔边缘附近产生有益的压应力,较高的预紧力可以显著降低在孔边缘处合成拉伸应力的大小,并且在经受纵向拉伸载荷时也能够显著降低接头处的应力水平。     

Bolt insertion damage and mechanical behaviors investigation of CFRP/CFRP interference fit bolted joints

Interference fit has advantages in improving fatigue behaviors of composite bolted joints; however, interference fit bolt insertion tends to cause damages in laminates weakening joint mechanical properties. Therefore, an experimental study was conducted to investigate bolt insertion damages of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)/CFRP interference fit bolted joints. Mechanical behaviors of joints were also evaluated experimentally under both quasi-static loads and cyclic loads. Scanning Electron Microscope (SEM) and high-resolution X-ray micro-CT scan were used to examine micro damages in laminates. Damage and failure behaviors of joints were characterized. The results demonstrated that the hole entrance in upper laminate and the laminate boundary near the hole wall were the most critical regions for damages during bolt insertions. However, the influence of those damages on quasi-static failure loads and fatigue failure modes of joints was minimal. Delamination and matrix cracking occurred first in laminates following fiber and matrix fracture in quasi-static tensile tests. Interference fit could improve the fatigue resistance of the laminate hole; however, the bolt seemed to suffer a more critical local fatigue loading condition. This paper can contribute to composite structure designs, especially in understanding damage and failure behaviors of composite bolted joints.     

复合材料机械连接件非线性接触应力分析

 <正> 近年来，复合材料非线性效应已引志广泛重视，但是复合材料机械连接件非线性效应的研究尚不多见。F.K.Chang采用余弦分布载荷假设和Hahn-tsai剪切非线