榫连结构接触面特性分析及轮盘的优化设计

摘要

压气机是一种高度复杂和精密的热力机械，其性能的好坏直接影响着飞机的飞行性能、可靠性及经济性。近年来我国航空发动机所发生的重大机械故障中，压气机中转动件的失效高达80％以上。因此，压气机的研发水平在很大程度上决定了航空技术的发展水平。
　　压气机的榫连结构，是典型的接触形式。由于压气机叶片受到复杂的载荷作用，包括叶片本身质量所产生的离心力，气体作用产生的气动力及其振动等，使得榫头、榫槽连接的接触部分不仅产生较严重的应力集中，而且工作时构件内应力状态非常复杂，榫连结构已经成为压气机故障多发的部位之一。统计资料表明，压气机故障中有时高达20％的故障是由于榫头、榫槽结构失效造成的。因此，考虑压气机榫连结构中榫头、榫槽接触问题的计算显得至关重要，本文的主要研究内容如下:
　　(1)利用榫连结构接触的基本理论——Hertz接触理论和库仑摩擦定律进行研究，分析Hertz接触理论和库仑摩擦定律在接触问题的实际应用条件和典型算例，并结合简化直榫头榫连结构的具体应用进行了具体计算。
　　(2)对不同工况下的榫连结构接触面特性进行参数影响对比分析，确定接触面稳定的网格数量;分析直、斜榫头榫连结构在不同接触变量下的接触压力、滑移距离和接触状态等接触特性;对比在实际工作状态下提取的不同三维附加载荷条件对接触特性影响。
　　(3)对碰摩载荷作用下的榫连结构接触面特性进行分析，分析和对比叶片与机匣间在不同侵入量和不同碰摩方式下的接触面特性。
　　(4)基于HyperWorks对榫连结构的轮盘进行拓扑优化分析，在给定材料和载荷等约束条件并满足强度的前提下，将轮盘的质量降到最低，满足提高推重比和发动机轻型化要求。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 榫连结构接触变量对接触面特性影响的研究现状

1．2．2 碰摩载荷对接触面特性影响的研究现状

1．2．3 基于HyperWorks优化设计的研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第2章 接触面接触特性分析的基本理论

2．1 引言

2．2 Hertz接触理论

2．2．1 接触问题及其基本假定

2．2．2 两弹性球的接触

2．2．3 两圆柱体、圆柱体与平面接触

2．2．4 平面无摩擦接触问题

2．3 库仑摩擦定律

2．3．1 两弹性体接触状态的判定

2．3．2 有切向力的接触问题中接触区域、滑动区域和滑动量

2．4 本章小结

第3章 不同接触变量对接触面特性影响分析

3．1 引言

3．2 榫连结构模型的建立

3．2．1 榫连结构简化实体模型的建立

3．2．2 榫连结构有限元模型的建立

3．2．3 榫连结构的材料属性

3．2．4 榫连结构接触对的建立

3．2．5 榫连结构的边界条件和加载方式

3．3 接触面稳定网格数量的确定

3．3．1 直榫头榫连结构接触面网格的确定

3．3．2 斜榫头榫连结构接触面网格的确定

3．3．3 结果分析

3．4 不同摩擦因数对接触特性的影响

3．5 不同转速对接触特性的影响

3．6 接触刚度对接触特性的影响

3．6．1 ANSYS的接触穿透计算

3．6．2 不同刚度因数对接触特性的影响

3．7 不同工况对榫连结构的接触特性影响分析

3．7．1 工况1和工况2的对比分析

3．7．2 三维附加载荷对接触面特性的影响

3．7．3 结论分析

3．8 本章小结

第4章 叶片碰摩响应下接触面特性分析

4．1 引言

4．2 某实际模型简易化对比分析

4．3 碰摩力作用下的榫连结构接触特性分析

4．3．1 叶片机匣碰摩中的Hertz接触问题

4．3．2 碰摩力和接触时间的确定

4．3．3 脉冲力的加载形式

4．3．4 不同侵入量对接触面特性的影响

4．3．5 不同碰靡方式对接触面特性的影响

4．4 本章小结

第5章 基于HyperWorks的轮盘优化设计

5．1 引言

5．2 HyperWorks的介绍

5．2．1 HyperMesh的简介

5．2．2 Optistruet的简介

5．2．3 HyperView的简介

5．2．4 HyperWorks有限元分析的基本思想与步骤

5．3 OptiStruct-Topology优化法

5．3．1 OptiStruct-Topology优化的数学模型

5．3．2 OptiStruct-Topology优化的设计流程

5．4 压气机燕尾型榫连结构轮盘的拓扑优化分析

5．4．1 压气机燕尾型榫连结构轮盘模型的建立

5．4．2 材料参数的确定

5．4．3 约束条件的简化处理

5．4．4 燕尾型榫连结构拓扑优化过程

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢