考虑表面接触的涡扇发动机低压转子振动特性

摘要

先进涡扇发动机低压转子系统一般包括低压风扇转子、套齿联接结构以及低压涡轮转子三部分，其套齿联接结构通过套齿界面、定位界面、螺栓连接界面的接触实现复杂的动力传递，界面接触是一个对界面参数和装配工艺较为敏感的、具有不确定性的微观力学过程。本文以涡扇发动机为研究背景，针对采用套齿连接结构连接的低压转子系统进行动力学研究。
　　本研究主要内容包括：⑴针对低压转子系统中的大量接触面，以Hertz接触为基础，考虑粗糙表面微凸体接触变形的连续性，把微凸体变形阶段划分为：初期弹塑性变形、中期弹塑性变形、后期弹塑性变形，建立临界点连续的粗糙表面弹塑性接触模型，仿真表明：所提出的模型与经典的KE和ZMC模型曲线拟合良好，变化趋势一致，并具有临界点连续的优点。⑵由于航空发动机中接触面多采用螺栓连接，且螺栓预紧力会显著影响接触表面接触刚度。建立了典型的螺栓连接实验台，实验发现螺栓连接结构的前六阶固有频率随着螺栓预紧力增大而增大，基于薄层单元理论，采用改变薄层单元弹性模量模拟螺栓预紧力变化，分析获得接触刚度模型。从而实现了通过探索螺栓结构固有频率随着螺栓预紧力的变化来预估粗糙表面接触刚度的变化。⑶对低压转子系统的联轴器----复杂套齿联接结构进行分析，采用获得的螺栓连接状态的接触刚度力学模型，用薄层单元法对螺栓连接、套齿啮合、定位面接触进行等效，实现了复杂套齿连接结构的准确有限元建模。在此基础上，采用有限元模拟了涡扇发动机低压转子系统动力学特性，结果表明，低压转子系统的不平衡响应与不平衡量呈线性关系，随着螺栓预紧扭矩提高，前两阶临界转速和不平衡响应均略有提高。⑷对现有的涡扇发动机低压转子系统模拟实验台进行改造，分别开展固有频率测试、不平衡响应、螺栓预紧力等，结果表明，实验测试固有频率与仿真误差为6.67%；随着不平衡质量增加，不平衡响应近似线性增加；随着螺栓预紧力的增大，不平衡响应非线性增大。从定性角度，仿真和实验测试均表明，随着螺栓扭矩的增加，转子振动响应振幅均有所增加；从定量角度，其误差主要源于初始不平衡质量难以确定、测点位置之间的差异等。综上，主螺母预紧扭矩对于复杂套齿连接的转子系统动力学特性具有一定的影响，在低压转子系统设计时，应合理选择套齿连接结构主螺母预紧力。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景与研究目的和意义

1.2 粗糙表面接触问题研究现状

1.3 螺栓连接结构研究现状

1.4 套齿连接结构及其转子动力学研究现状

1.5 本文主要研究内容及目的

2 粗糙表面静态接触模型

2.1 单个微凸体接触模型

2.2 两粗糙表面接触模型

2.3 模型验证与分析

2.4 粗糙表面接触刚度模型

2.5 本章小结

3 螺栓连接表面接触刚度模型

3.1 螺栓联接结构实验台设计

3.2 实验测试

3.3 螺栓接触面刚度

3.4 螺栓有限元模型

3.5 结果分析

3.6 本章小结

4 复杂套齿联接结构等效方法研究

4.1 套齿联接结构及薄层单元理论

4.2 套齿联轴器建模方法

4.3 圆柱定位面接触的建模方法

4.4 螺栓联接建模方法

4.5 套齿联接结构整体建模方法

4.6 本章小结

5 涡扇发动机低压转子系统动力学特性

5.1 低压转子系统固有特性计算分析

5.2 低压转子系统不平衡响应计算与分析

5.3 拧紧力矩对转子系统固有特性仿真分析

5.4 拧紧力矩对转子系统不平衡响应仿真分析

5.5 本章小结

6 涡扇发动机低压转子系统动力学实验

6.1 实验台简介与对中调试

6.2 不平衡响应实验测试与分析

6.3 拧紧力矩对转子系统动力学特性实验分析

6.4 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