面向连接工艺随机性的惯性仪表结构变形均匀性评价与分析

针对仪表螺纹连接拧紧造成的非均匀变形问题,均匀性装配为提高仪表精度与稳定性提供了一条更为经济、适用性更强的方法。提出了一种变形均匀性的评价方法,通过共生矩阵的特征参数来表征变形均匀性程度。结合仪表关键结构——电机转子结构,建立了精细化仿真分析模型,利用数值模拟方法研究了螺纹连接预紧力工艺参数对仪表电机转子盖变形均匀性的影响。结果表明,预紧力的离散度与转子盖变形均匀性相关性不大,而预紧力的均匀分布有助于提高仪表装配精度,研究结果为精密产品螺纹连接结构设计及工艺设计提供了理论依据。     

螺栓连接对发动机机匣装配同心度及动力特性的影响

航空发动机机匣为薄壁圆筒结构,螺栓连接紧度及分布对其装配同心度及动力特性影响较大。本文建立了发动机压气机机匣的三维有限元模型,通过ANSYS模拟螺栓预紧力,分析螺栓紧度分布及加载顺序对机匣装配同心度的影响规律。同时,利用有限元技术分析螺栓蠕变松弛对机匣同心度的影响,得到螺栓应力随时间变化规律。研究结果对航空发动机机匣装配质量提高及机匣静子系统动力特性计算具有一定的参考价值。     

考虑离心力与热应力非连续界面的微动磨损

航空发动机、重型燃气轮机等旋转机械的组合转子轮盘间多采用非连续界面连接,通过建立两轮盘的环形平面接触有限元模型,并进行冷态预紧、升速工况下的结构分析及稳态温度场下的热-结构耦合分析。研究了环形接触界面的接触应力、切应力、磨损深度等微动参量的演变规律。结果表明:预紧力单独作用下接触应力从内径到外径逐渐减小,内径处接触应力和切应力最大,磨损最严重;随转速升高,离心力增大,接触界面的最大接触应力增大,最小接触应力减小,造成接触应力分布不均匀程度及磨损加剧;稳态温度场导致盘间接触应力均值大幅度上升,严重加剧轮盘间磨损;从盘间接触应力分布均匀性与界面微动磨损情况来说,热载荷是造成组合转子非连续界面微动磨损的主要因素。     

螺栓连接预紧力对涡轮盘静力学特性影响的仿真分析

螺栓连接是涡轮组件中盘-盘连接的基本方式,影响着涡轮盘的静力学特性。采用有限元方法,对燃气轮机涡轮盘静力学特性进行分析。通过建立动力涡轮盘有限元模型,研究了有无螺栓连接时动力涡轮盘在不同工作状态下应力的大小和应力点的位置变化,获得了螺栓预紧力对动力涡轮盘应力分布的影响规律。结果表明,螺栓连接预紧力是影响涡轮盘静力学特性的一个主要因素,盘-盘连接设计时应合理选择预紧力,以避免影响涡轮盘静强度。     

一种基于垫片式力传感器的螺栓组连接预紧力测量方法

螺栓(或螺钉)组连接是航空航天等机电产品装配中最常用的连接方法之一。针对目前螺栓组连接中的预紧力测量难且过分依赖拧紧力矩的问题,提出一种基于垫片式力传感器的螺栓组连接预紧力测量方法,可直接测量螺栓组中各螺栓在拧紧过程中及拧紧之后的预紧力。该方法通过垫片式力传感器采集螺栓预紧力,通过对传感器信号的调理、采集以及数据处理、显示和存储完成螺栓组中的各螺栓预紧力采集。最后,研制了便携式的螺栓组预紧力测量装置并进行了应用验证。试验表明该测量方法及装置适合实验室、装配现场、振动等环境中监测螺栓组拧紧过程中以及拧紧之后各螺栓的预紧力。     

周向均布拉杆转子预紧力的确定

对周向均布拉杆转子进行考虑接触的三维有限元应力分析,揭示了不同拉杆预紧力和运行工况下拉杆转子的应力分布及界面接触状态演化规律.计算结果表明:拉杆转子在传递功率和横向载荷时,接触界面会发生局部分离和滑移,导致其承载能力小于整体转子;随着预紧力的增加,拉杆转子能够传递更大的载荷,但最大应力显著增加,降低了材料的强度裕度.根据得到的拉杆转子应力水平、接触界面应力分布及接触界面切向力与法向力的比值,给出了保证转子结构完整性和结构强度要求的拉杆预紧力确定方法,为此类转子预紧力的确定提供了参考.      

不同预紧力分散度条件下螺栓止口连接组件有限元分析

螺栓止口连接是航空发动机中常见的连接形式,在现有工艺技术条件下,螺栓预紧力往往存在较大分散性,加剧了航空发动机力学性能的波动。利用ANSYS Workbench有限元软件对不同预紧力分散度条件下的螺栓止口连接结合面Von Mises等效应力分布及组件刚度进行了仿真计算。按照工程经验设置了5组预紧力分散度值,并针对每组分散度随机生成一组对应的螺栓预紧力数值,实现对工程实际中预紧力分散度情况的模拟。然后分析了结合面的应力分布情况,通过对组件分别施加轴向载荷、径向载荷和扭转载荷,获得了组件轴向刚度、径向刚度、扭转刚度变化曲线,最终得到预紧力分散度对螺栓止口连接组件刚度的影响规律,为预紧力分散度的控制提供了理论参考依据。     

螺栓预紧力对转子动力特性影响的研究

螺栓联接是转子的一种重要联接形式,螺栓预紧力的大小对转子结构的动力学特性有很大影响。首先根据转子螺栓联接结构的工作范围,确定合理的螺栓预紧力的数值。然后,通过Compbell图方法分析螺栓预紧力对转子临界转速数值的影响。最终通过瞬态动力学的方法验证了Compbell图方法计算的正确性。     

基于有限元法的转子细观结构对宏观刚度的影响

基于有限元法,通过研究转子内部细观结构非线性环节对宏观系统动力学参数影响的规律,构建了降维映射函数的研究思路.针对某型航空发动机轮盘拉杆螺栓接触结构,通过适当简化转子模型,利用ANSYS软件分析轮盘不同偏心状况下,拉杆螺栓不同预紧状态对宏观刚度的影响,探究其刚度非线性特性.结果表明:螺栓均匀预紧,预紧力变化,转子系统非线性特征的变化趋势与偏心夹角有关;半数螺栓松动,偏心夹角越大、松动预紧力越小,非线性特征越明显.      

航空发动机螺栓连接载荷与结构参数对连接刚度影响规律

从航空发动机复杂螺栓连接结构的特殊性出发,根据不同连接形式的螺栓连接结构轴向应力分布,提出了航空发动机复杂螺栓连接结构的连接刚度理论表达式,并进一步研究了航空发动机螺栓连接载荷、结构参数对连接刚度的影响规律。研究结果表明:当螺栓个数n在4~30之间变化时,双层的无量纲连接刚度K在8.9~66.8之间线性的变化;当螺栓预紧力F_p较小时,无量纲连接刚度K随着螺栓预紧力F_p的增加缓慢增加,当预紧力F_p增加到27.5k N时,双层的无量纲连接刚度K为27,且趋于稳定;并且n,F_p对无量纲连接刚度K的影响还与锥形半角α有关。     

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。     

预紧力对层合板螺栓连接强度的影响研究

预紧力的大小对连接件的连接强度具有较大的影响。在ABAQUS软件环境下建立层合板螺栓连接结构的三维有限元模型,引入改进的Hashin三维失效判据,并提出了一种新的结构刚度分区退化模型,分别计算了预紧力存在的条件下凸头螺栓和沉头螺栓连接情况下单搭接层合板的失效情况。计算结果与试验结果的对比表明：采用这种刚度退化模型的计算结果较为精确;预紧力对凸头螺栓连接和沉头螺栓连接的失效情况影响不同,合适的预紧力可以提高层合板的极限强度,过大的预紧力不利于结构的承载。     

航空发动机可拆卸盘鼓型转子拉杆螺栓装配紧度辨识方法

针对沿轮盘周向分布的拉杆螺栓装配紧度是影响航空发动机可拆卸盘鼓型转子振动特性的一个重要因素,提出了一种拉杆螺栓装配紧度辨识方法.通过对可拆卸盘鼓型转子进行激振测试,提取提升小波包分解重构信号的相对能量特征,然后定义拉杆螺栓装配紧度熵将相对能量特征映射到拉杆螺栓装配紧度辨识空间.实验研究了拉杆螺栓由松到紧的3种状态,结果表明装配紧度熵具有单调一致性递减规律.实验测试了外场服役的某型航空发动机可拆卸盘鼓型转子拉杆螺栓的装配紧度状态,结果表明拉杆螺栓装配紧度发生退化,拉杆螺栓处于松动状态.      

带预紧力螺栓连接的机匣刚度分析

为了很好的模拟螺栓连接对发动机机匣刚性的影响,利用ANSYS非线性接触算法对螺栓连接进行了仿真计算,利用轴向力模拟了螺栓的预紧力,通过一系列不同的螺栓预紧力的计算,得到了机匣弯曲刚度与螺栓预紧力的关系曲线,并分析了螺栓连接对发动机机匣刚性的影响,为复杂结构中的螺栓连接简化提供了可靠的依据。     

航空结构螺栓连接预紧力设计研究

分析了航空结构的螺栓连接受力并推导了螺栓载荷、螺栓刚度、被连接件刚度等计算公式,分析了螺栓载荷在结构加载过程中的变化规律,讨论了螺栓预紧力对连接结构疲劳寿命的影响,给出了螺栓预紧力的参考取值及其范围,可供结构强度工程设计人员参考使用。     

转子连接结构力学特性稳健设计

针对航空发动机转子结构具有质量/刚度分布不均匀、界面连接和承受大弯曲载荷等结构力学特性,分析了转子连接结构力学特性与界面接触状态之间的关联性,提出适用于工程设计的连接界面滑移和摩擦-疲劳损伤程度的界面接触状态、应变能和摩擦功等定量评估参数。建立了基于连接界面变形协调和转子应变能分布控制的转子连接结构力学特性稳健设计方法。结果表明:通过对转子结构几何特征参数进行优化,提高了连接界面在离心载荷作用下的变形协调性,改善了在工作载荷下转子弯曲应变能分布,可以减少连接界面摩擦-疲劳损伤,从而降低连接结构力学特性对载荷环境的敏感度,保证转子结构力学特性稳健。以高速转子系统中连接结构为例,通过仿真计算验证了带有界面连接的转子连接结构力学特性稳健设计的有效性。     

机匣横向安装边螺栓联接结构应力分析

航空发动机机匣多采用安装边螺栓联接结构。为了准确模拟安装边螺栓联接结构对航空发动机机匣的影响,本文利用ANSYS Workbench有限元软件对安装边螺栓联接结构进行仿真计算,应用有限元软件中的预紧力施加模块模拟螺栓的预紧力。通过选择一组不同预紧力大小进行计算,得到预紧力与安装边螺栓联接结构处等效应力及应力强度的关系曲线;通过有限元计算,获得安装边厚度、安装边高度及螺栓位置对安装边螺栓联接结构应力的影响规律,为机匣螺栓联接结构设计提供了参考依据。     

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。      

某发动机盘轴“扭矩-转角”连接法应用试验

螺栓连接是航空发动机机械连接的主要方式,传统的扭矩法造成预紧力误差较大,尚不能满足发动机高精确性、高可靠性连接的工艺控制需求。为此,以某型发动机低压涡轮盘轴的关键连接结构为对象,将传统的扭矩法和先进的转角法相结合,在国内发动机装配中首次应用"扭矩控制–转角监测"法,并设计开发智能拧紧系统,利用转角法预紧力精度高的特点,在准确施加扭矩的同时,监测调整螺母的转动角度,保证了预紧力的准确控制和连接刚度的均匀一致,提高了发动机的结构连接质量,为后续工艺协同发动机设计提供了技术手段,对发动机装配表现的不一致性问题提供了解决途径。     

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。