止口约束下盘轴结构螺栓紧固策略的研究

摘要

低压涡轮轴-盘是涡扇航空发动机的核心转子部件，是高压涡轮、高压压气机等转子件的装配基准。这类盘轴转子件的结构较为复杂，安装边上螺栓孔众多，且通过止口结构的过盈配合来实现装配过程中的定心定位作用。由于止口过盈约束的存在，在同一多螺栓紧固策略下，有止口结构盘轴件在螺栓紧固下的装配变形形式与无止口结构盘轴件的装配变形不同，尤其是装配变形的大小和方向有明显的差异。同时，多螺栓紧固策略直接影响了低压涡轮轴-盘的装配精度，间接影响了以低压涡轮轴-盘为装配基准的其它转子部件的装配精度。提高低压涡轮轴-盘装配精度和螺栓紧固的可靠性对航空发动机的整机运行寿命有着重要意义。 本文以提高带止口结构盘轴件的装配精度和降低多螺栓连接最终残余预紧力的离散度为研究目的，建立了带止口结构多螺栓连接盘轴有限元参数模型，从多螺栓紧固策略和结构几何参数两个角度研究分析了止口约束下盘轴件的装配变形规律和螺栓最终残余预紧力的分布规律。在多螺栓紧固策略对止口结构盘轴件的装配变形研究中，相邻紧固螺栓初始分布位置直接影响了多螺栓紧固过程中被连接件的装配变形分布，进而决定了多螺栓紧固策略的制定。因此，本文建立了单螺栓紧固、不同相位分布的两螺栓紧固和多螺栓紧固的止口结构盘轴有限元模型。以每一加载步下的装配变形相对变化量和相对相位角变化为切入点，分别仿真分析了单螺栓紧固下盘轴模型几何参数对盘轴模型装配变形的影响规律、相邻加载步螺栓相位分布对盘轴模型装配变形的影响规律以及多螺栓紧固顺序和被连接件几何参数对盘轴模型装配变形的影响规律。在止口结构盘轴件多螺栓紧固过程中的螺栓预紧力分布规律的研究中，本文分别仿真分析了盘轴模型螺栓紧固过程中，相邻加载步螺栓位置分布与螺栓弹性相互作用的关系，同时分析了多螺栓紧固顺序和盘轴模型几何参数对螺栓预紧力分布的影响规律。然后，以带止口结构盘轴为实验对象，验证了多螺栓紧固过程中试件的装配变形规律和相邻加载步螺栓位置分布对螺栓弹性相互作用的影响规律,并以降低装配变形和螺栓预紧力离散度为目标，提出止口结构盘轴件多螺栓紧固策略的系列建议。这些建议给以涡扇航空发动机低压涡轮轴-盘等带止口结构盘轴转子件的多螺栓紧固策略研究提供了参考。 最后，论文分析了本研究中的不足之处，并结合当下的多螺栓紧固策略研究发展趋势，对未来的止口结构盘轴件多螺栓紧固策略的研究做出展望。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 盘轴件多螺栓紧固策略研究现状

1.3 螺栓紧固下的装配精度研究现状

1.4 研究内容和技术路线

2 螺栓紧固过程中的盘轴件变形机理和弹性相互作用分析

2.1 螺栓紧固过程中的盘轴件装配变形机理分析

2.1.1 螺栓紧固过程中的盘轴件径向装配位移分析

2.1.1 螺栓紧固过程中的盘轴件安装边弯曲变形分析

2.2 螺栓紧固过程中的弹性相互作用分析

2.3 本章小结

3 止口结构盘轴件有限元模型的建立

3.1 有限元模型几何参数的设置

3.2 有限元模型边界条件和后处理的设置

3.1.1 边界条件设置

3.1.2 后处理设置

3.3 有限元模型材料参数的修正

3.4 本章小结

4 螺栓紧固过程中的盘轴件装配变形和弹性相互作用仿真分析

4.1 螺栓紧固策略下的盘轴件装配变形研究

4.1.1 单螺栓紧固下的盘轴件装配变形研究

4.1.2 两螺栓紧固下的盘轴件装配变形研究

4.1.3 多螺栓紧固下的盘轴件装配变形研究

4.1.4 紧固策略下螺栓预紧力的分布与装配变形的关系

4.2 几何参数对盘轴件多螺栓紧固下装配变形影响的研究

4.2.1 止口约束对盘轴件多螺栓装配变形影响的研究

4.2.2 安装边厚度对盘轴件多螺栓装配变形影响的研究

4.2.3 螺栓孔中心距对盘轴件多螺栓装配变形影响的研究

4.3 多螺栓紧固过程中的弹性相互作用影响因素的研究

4.3.1 紧固顺序对弹性相互作用影响的研究

4.3.2 止口约束对弹性相互作用影响的研究

4.3.3 安装边厚度对弹性相互作用影响的研究

4.3.4 螺栓孔中心距对弹性相互作用影响的研究

4.4 本章小结

5 螺栓紧固过程中的装配变形实验和结果分析

5.1 螺栓紧固过程中的装配变形实验方案设计

5.1.1 实验内容

5.1.2 实验方法和步骤

5.2 实验数据处理和结果分析

5.2.1 单螺栓紧固下的装配变形实验

5.2.2 多螺栓紧固顺序对盘轴件装配变形影响实验

5.2.3 多螺栓紧固顺序下的同轴度误差实验

5.2.4 不同相位分布的两螺栓弹性相互作用实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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