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螺栓连接对转子动力特性影响的研究

作　者: 赵丹
导　师: 艾延廷
学　校:
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 螺栓连接结构接触刚度模态试验临界转速稳态温度场
分类号: TH131.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

转子是航空发动机的重要组件之一，转子动力学特性直接影响航空发动机整机性能及其工作可靠性。螺栓连接以结构简单、连接刚性好等优点广泛应用于航空发动机结构中。在转子结构设计中，螺栓连接结构设计多采用经验公式，近些年对其结构刚性，动力学特性及其对整个转子动力特性的影响更是缺乏深入的研究。近些年随着计算机及有限元技术的发展研究的不断深入，螺栓连接结构及其动力学特性的研究越来越受到重视。本文首先对螺栓连接结构的接触问题进行了研究，对影响螺栓连接结构法向接触的主要参数进行了分析，通过对几种典型的试验件进行模态试验，并与有限元计算结果对比分析，表明了两种方法所得到的结果有较好的一致性，证明有限元数值仿真可以很准确模拟螺栓连接结构动力学特性。然后通过利用有限元方法，对影响螺栓连接结构参数（如安装边厚度，高度，接触面摩擦系数等参数）进行灵敏度分析，并通过多目标驱动优化设计方法实现了螺栓连接结构弯曲刚度的优化设计。使用有限元方法对典型的转子螺栓连接结构进行了动力学特性分析，得到了螺栓预紧力影响模态频率的大小。并基于螺栓预紧力确定的分离准则、强度准则，疲劳寿命准则，在转子工作范围内，计算出合理的螺栓预紧力数值的大小。并依据所得到的结果选取几组合理的螺栓预紧力数值，使用Compbell图方法得到了螺栓预紧力对转子临界转速数值的影响，并通过使用瞬态动力学方法模拟转子的加速过程，验证了Compbell图方法计算的正确性。最后，通过对某型航空发动机涡轮转子结构进行建模分析，研究了螺栓预紧力对实际发动机转子结构的动力学特性的影响，并考虑了稳态温度场对转子结构的动力学特性的影响。为今后进一步分析多种载荷下螺栓连接对转子动力学特性的影响打下了基础。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
主要符号表  12-13
第1章绪论  13-18
  1.1 选题背景和意义  13
  1.2 国内外研究现状  13-15
    1.2.1 国外研究现状  13-14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
  1.3 课题研究内容  15-18
第2章转子动力学基本原理  18-24
  2.1 转子临界转速基本特性  18-20
  2.2 影响临界转速的基本因素  20-22
  2.3 瞬态响应分析基本原理  22-24
第3章螺栓连接结构振动特性分析及优化设计  24-49
  3.1 接触刚度理论  24-26
  3.2 接触问题分析  26-30
    3.2.1 接触问题  26-27
    3.2.2 虚位移原理  27-28
    3.2.3 接触问题的有限元方法  28-29
    3.2.4 ANSYS 中的接触算法  29-30
  3.3 螺栓连接结构模态试验  30-35
  3.4 螺栓连接结构模态计算  35-38
    3.4.1 刚性简化的螺栓连接结构模态计算  35-36
    3.4.2 螺栓连接结构有限元模型  36
    3.4.3 法向刚度因子优化方法  36-37
    3.4.4 有限元计算结果分析  37-38
  3.5 螺栓连接结构简化方法研究  38-42
    3.5.1 螺栓预紧力简化方法  38-39
    3.5.2 螺栓连接结构算例验证  39-40
    3.5.3 螺栓连接结构概率分析  40-42
  3.6 螺栓连接结构优化设计  42-47
    3.6.1 影响法向接触刚度大小的参数分析  42-44
    3.6.2 螺栓连接结构参数灵敏度分析  44-46
    3.6.3 螺栓连接结构多目标驱动优化设计  46-47
  3.7 本章小节  47-49
第4章螺栓连接转子振动特性分析  49-68
  4.1 盘—盘螺栓连接结构的模态分析与试验验证  49-52
    4.1.1 盘—盘螺栓连接结构模态试验  49-50
    4.1.2 盘—盘螺栓连接结构模态频率有限元计算  50-52
  4.2 螺栓连接转子振动特性分析与试验验证  52-55
    4.2.1 螺栓连接转子模态试验  52-53
    4.2.2 有限元计算  53-55
  4.3 螺栓连接转子动力学特性计算研究  55-66
    4.3.1 螺栓预紧力的确定  55-63
    4.3.2 刚性简化的转子临界转速计算  63
    4.3.3 螺栓预紧力对转子临界转速影响分析  63-64
    4.3.4 螺栓连接转子加速响应分析  64-66
  4.4 本章小结  66-68
第5章某型航空发动机涡轮转子的动力学特性分析  68-79
  5.1 某型航空发动机转子系统支承方案  68-69
  5.2 某型航空发动机涡轮转子结构  69-71
  5.3 某型航空发动机螺栓连接转子模态频率计算  71-72
    5.3.1 螺栓预紧力大小的选取  71
    5.3.2 有限元分析边界条件  71
    5.3.3 有限元计算结果  71-72
  5.4 有限元模型简化  72-73
  5.5 螺栓连接转子临界转速计算  73-74
  5.6 稳态温度场下螺栓连接转子临界转速计算  74-78
  5.7 本章小结  78-79
结论  79-81
附录  81-82
参考文献  82-85
致谢  85-86
攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文  86

螺栓连接对转子动力特性影响的研究

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