动力涡轮榫连接结构的设计方法研究

摘要

榫头/榫槽连接结构在发动机中应用非常广泛。其中枞树形榫接结构具有材料利用合理、承载面积多、周向尺寸小而且拆装方便等优点。因此，在涡轮盘片连接中普遍采用这种连接形式。由于榫接结构形状较为复杂，且工作环境十分恶劣，使得榫头、榫槽连接部分产生较为严重的应力集中。所以榫接结构成为航空发动机故障多发的环节之一。因此，对动力涡轮榫头/榫槽结构形式和设计特点进行研究，建立完善的设计方法，具有十分重要的意义。
　　（1）选用EGD-3应力标准中关于枞树形榫接结构的设计准则，提取能够充分完整表达二齿、三齿枞树形榫接结构几何形状的已知常量、独立变量和关联变量三类特征参数，并基于设计准则和几何协调关系，建立了关联变量的计算公式。针对二齿和三齿榫接结构的独立设计变量对结构应力的影响做了有限元分析研究，给出了上侧角、下侧角、楔形角、槽底倾角及齿间过渡圆弧和榫齿接触圆弧的合理取值范围，结合二齿、三齿榫接结构关键参数的有限元数值分析结果，建立了二齿、三齿枞树形榫接结构工程设计方法。
　　（2）将本文所建立的工程设计方法应用于两种结构的设计，分别对某型机原有结构和本文设计结构进行了静强度和疲劳寿命评估。结果表明：本文设计结构比原有结构更加合理，从而验证了本文建立的工程设计方法是合理、可行的。
　　（3）提出了将齿间过渡和榫齿接触单圆弧设计改为双圆弧设计的思想，并以此为基础建立了二齿、三齿榫连接结构优化设计模型和方法。选取最大等效应力最小为优化目标，并选择对结构应力影响较大的双圆弧半径作为优化设计变量，构建了优化模型；基于ISIGHT平台，集成UG和ANSYS有限元软件，选取ISIGHT自带的序列二次规划算法，构建了优化方法，给出了优化流程，对二齿、三齿榫接结构进行形状优化分析，所得到的最优结构大大减小了应力集中区域的最大等效应力。

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注释表

第一章 绪论

1.1 课题背景、研究目的和意义

1.2 国内外研究概况

1.3 目前存在的问题

1.4 本文主要的研究内容

第二章 二齿和三齿榫接结构工程设计方法研究

2.1 引言

2.2 枞树形榫接结构的设计准则

2.3 二齿榫接结构几何参数的提取

2.4 二齿榫接结构几何参数的计算方法

2.5三齿榫接结构几何参数的提取

2.6 三齿榫接结构几何参数的计算方法

2.7 本章小结

第三章 二齿和三齿榫接结构关键参数的数值分析研究

3.1 引言

3.2 二齿榫接结构关键参数的数值分析研究

3.3 三齿榫接结构关键参数的数值分析研究

3.4 本章小结

第四章 二齿和三齿榫接结构设计实例及分析

4.1 引言

4.2 二齿榫接结构设计实例

4.3 二齿榫接结构静强度对比分析及寿命评估

4.4 三齿榫接结构设计实例

4.5 三齿榫接结构静强度对比分析及寿命评估

4.6 本章小结

第五章 二齿和三齿榫接结构应力集中区域的优化设计

5.1 引言

5.2 二齿榫接结构应力集中区域的优化设计

5.3 三齿榫接结构应力集中区域的优化设计

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本文主要工作总结

6.2 对今后工作的展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文