螺栓连接接触刚度及对转子动力学影响

摘要

航空发动机的转子、静子结构存在很多螺栓连接结构，由于存在接触、摩擦、滑移、微动，导致螺栓连接结构存在非线性和不确定性，其动力学特性十分复杂。对航空发动机开展整机动力学分析时，考虑螺栓连接细节会显著提高计算量，而忽略螺栓影响则会引起一定的误差，因而需要一个简化并具有较高精度螺栓连接结构模型，满足工程计算需求。本文通过理论、仿真和实验手段建立螺栓连接结构中粗糙表面接触刚度模型，计算不同螺栓预紧力下，连接件和被连接件之间的粗糙表面接触刚度，并将其用于分析航空发动机典型盘鼓转子系统的动力学特性。具体包括： (1)理论计算方面，分析了基于统计学的粗糙表面纯弹性接触刚度解析模型，对所加工的垫片形貌进行测绘分析和接触刚度计算；结果表明：由于加工偏差，同一个垫片不同的位置计算的粗糙表面接触刚度存在波动；相同的螺栓预紧力下，接触刚度随粗糙度的增加而减小。 (2)仿真计算方面，建立了真实形貌的二维有限元模型，并开展接触仿真获得预紧力对接触刚度的影响规律；对比分析了首次加载和再次加载接触刚度，结果表明：对于二次或多次加载表面进行接触仿真时，应该采用纯弹性接触理论。在此基础上，基于分形理论建立该粗糙表面的三维有限元模型，并采用Ansys非线性接触算法得到不同预紧力下粗糙表面的接触刚度。 (3)实验研究方面，测试了不同预紧力下螺栓连接结构的前几阶固有频率，并将其结果与基于薄层单元的有限元仿真结果进行对比，基于模态应变能/能量法识别获得不同预紧力下螺栓连接结构接触刚度，实现了接触刚度识别精度的提高。通过对比理论、仿真和实验获得的接触刚度随预紧力变化结果，分析了各种方法/模型的特点和误差产生原因，并确定了准确的粗糙表面接触刚度。 (4)应用方面，根据粗糙表面接触刚度随预紧力的关系曲线，研究了航空发动机中多螺栓连接的盘鼓转子系统的动力学特性，结果表明：螺栓连接接触刚度对盘鼓转子的模态频率有一定影响，接触刚度增加会产生移频现象。最后，对比仿真得到的自由模态固有频率结果与实验测试结果，二者吻合较好。 (5)研究结果为螺栓连接结构准确建模、工程简化应用提供了一种思路，为航空发动机中螺栓连接结构设计、动力学分析与振动控制提供了参考。

目录

1 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 粗糙表面接触特性研究现状

1.2.1 基于统计学方法的粗糙表面接触研究现状

1.2.2 基于分形方法的粗糙表面接触研究现状

1.2.3 基于有限元仿真的粗糙表面接触研究现状

1.3 螺栓连接结构连接特性研究进展

1.4 本文的研究思路与内容安排

2 粗糙表面接触理论建模及分析

2.1 Hertz接触应力分析

2.2 接触分析

2.2.1 单个微凸体接触

2.2.2 多个微凸体理想粗糙表面接触

2.2.3 多个微凸体非理想粗糙表面接触

2.3 GW理论接触刚度模型

2.4 粗糙表面接触算例分析

2.5 本章小结

3 基于有限元的粗糙表面接触刚度仿真

3.1 实测粗糙表面数据处理

3.2 二维粗糙表面接触特性的仿真

3.2.1 实测粗糙表面的数值模型

3.2.2 实测粗糙表面接触特性分析

3.3 重复加载表面接触特性分析

3.4 三维粗糙表面接触特性的数值研究

3.4.1 结构函数法求分形维数

3.4.2 三维粗糙表面接触特性分析

3.5 本章小结

4 基于模态应变能的螺栓连接结构接触刚度建模

4.1 螺栓连接结构固有特性实验研究

4.1.1 螺栓连接结构实验台的搭建

4.1.2 螺栓连接结构固有特性实验测试

4.2 基于薄层单元法的螺栓连接结构固有特性仿真

4.3 螺栓连接结构接触刚度识别

4.3.1 接触刚度建模的方法与思路

4.3.2 基于模态应变能的接触刚度识别方法

4.3.3 接触刚度建模方法对比分析

4.4 螺栓连接结构接触刚度结果综合对比分析

4.5 本章小结

5 螺栓连接的盘鼓转子系统动力学特性研究

5.1 螺栓连接盘鼓转子系统静力学仿真

5.2 盘鼓转子系统动力学特性仿真

5.2.1 盘鼓转子系统有限元建模

5.2.2 盘鼓转子系统固有特性仿真

5.2.3 盘鼓转子系统谐响应分析

5.3 盘鼓转子系统动力学不确定性研究

5.3.1 螺栓连接对盘鼓转子固有特性的影响

5.3.2 接触刚度不确定性对盘鼓转子动力学特性影响

5.3.3 支承刚度不确定性对盘鼓转子动力学特性影响

5.3.4 耦合不确定性对盘鼓转子动力学特性影响

5.4 盘鼓转子自由模态实验校核

5.4.1 盘鼓转子自由模态实验测试

5.4.2 盘鼓转子实验仿真结果对比分析

5.5 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢