纤维增强复合材料低压涡轮轴强度分析设计

研究连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在扭转载荷作用下的静强度分析设计问题。以Ti-6-4/SC6为有限元模型结构材料,以复合材料层合板理论为基本力学理论基础,以蔡-吴强度失效准则为判定依据。对不同复合材料轴结构进行强度分析及失效判定。以某型航空发动机低压涡轮轴为基础模型进行有限元建模。通过"复材轴"和"分段轴"两种复合材料轴结构模型对复合材料铺层、铺角对轴结构力学性能及强度影响规律进行研究。以"复材轴"模型结构研究±45°与+45°两种普遍铺层方案的优劣,在研究"复材轴"铺层方案的基础上,以±45°铺层方案研究"复材轴"和"分段轴"及传统钛合金轴静强度性能对比。最后从工程实际角度针对"分段轴"给出提高强度的两种措施。

航空发动机低压涡轮轴结构参数建模与分析

为研究成熟核心机的衍生发展能力,基于流体力学原理及强度理论,提出了1种低压涡轮轴结构参数的建模方法。根据涡扇发动机基本原理,建立了风扇叶尖直径、风扇角速度和低压涡轮轴输出扭矩的数学模型,并根据扭转强度、破坏扭矩和扭转稳定性等强度理论,建立了1种低压涡轮轴结构参数的数学模型。运用该模型讨论了某型核心机的衍生发展能力,分析了涵道比、低压涡轮轴壁厚与其外径及质量间的影响规律。结果表明:当涵道比一定时,低压涡轮轴外径与壁厚成反比,质量与壁厚成正比;当壁厚一定时,低压涡轮轴外径和质量均与涵道比成正比。

低压涡轮轴的工艺研究

本课题以某批产机种薄壁空心长轴为研究对象,通过合理的安排加工工艺路线,完成零件内外型面的加工,满足零件壁厚差要求,提高零件加工质量,为后续四代机涡轮轴类零件的加工积累宝贵经验,达到了预期目的,完成了课题研制任务。

GH4169低压涡轮轴深孔钻削试验研究

低压涡轮轴是保证航空发动机稳定性的重要组件,其内孔加工质量直接影响航空发动机的性能。针对低压涡轮轴的结构与材料分析,结合深孔钻削的加工特点,制定了合理的加工工艺方案。通过对加工零件的理论分析和经验分析,选择合适的加工刀具进行深孔钻削试验,并确定了钻削参数组合为主轴转速n=170r/min,进给量f=0.06mm/r,切削液流量为Q=110L/min。使用该套工艺参数进行零件加工,经检测,加工内孔直径、表面粗糙度和孔直线度均满足产品加工要求。

基于车铣复合的低压涡轮轴加工工艺研究

低压涡轮轴是航空发动机的关键转动零件,发动机工作时,低压涡轮轴长期在交变载荷环境下工作,所以其结构复杂,材料多为高温合金、高强度钢等,具有切削性能差、加工周期长等特点。本文采用车铣复合机床来加工低压涡轮轴,与传统的低压涡轮轴加工工艺路线相比,其生产效率和加工质量明显提高,成本显著下降。

某发动机低压涡轮轴模态试验研究

涡轮轴是发动机的关键件和重要件之一,用于联接涡轮盘、轴承座等零件。由于涡轮轴在高转速、高温度、变负荷条件下工作,工作条件恶劣,因此涡轮轴工作可靠与否直接影响发动机的寿命和安全。涡轮轴不仅传递扭矩还承受转子自身的重力、不平衡力等影响,所以轴的振动问题不可避免。该文简要介绍了采用模态试验的方法来分析、确定涡轮轴的振动特性,为某型发动机整机振动排故提供试验数据。

某型燃气轮机低压涡轮轴强度分析

利用ANSYS软件对某燃气涡轮发动机低压涡轮轴进行了强度计算和强度分析,提出了涡轮轴在设计制造中应注意的问题,为燃气轮机的研制和改进提供参考。

某型发动机低压涡轮轴疲劳寿命试验研究

[目的]通过某型发动机低压涡轮轴在标准载荷下的疲劳寿命试验。确定其疲劳安全寿命；通过加大载荷的试验，确定其危险截面。[方法]在我厂自行研制的大型立式双轴综合加载疲劳试验器上，采用对七根低压涡轮轴进行不同试验载荷下的疲劳寿命试验。[结果]在标准循环载荷下，某型发动机低压涡轮轴能够达到低循环10^4次，高循环10^7次标准循环寿命。在大振动扭矩作用下套齿部位为危险截面；在加大载荷的破坏试验下，暴露出其危险截面为头部φ11.5mm冷却孔处。

金属基复合材料低压涡轮轴结构高周疲劳寿命估算

研究基于名义应力法的连续纤维增强复合材料轴结构疲劳寿命的估算方法,并通过与实验寿命值对比,验证寿命预测方法的有效性。针对某型低压涡轮轴,模拟其实际受载情况,设计并建立了连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构有限元分析模型,经计算获得轴结构的名义应力,结合修正后的复合材料S-N曲线,估算出复合材料轴结构高周疲劳寿命。通过比较不同铺层方案复合材料轴结构高周疲劳寿命,总结出铺层方案对结构疲劳寿命的影响规律。

低压涡轮轴设计方法研究

低压涡轮轴是保证涡轮部件正常工作的关键零件,所受载荷比较复杂。为了更好地进行低压涡轮轴设计,避免设计过程中出现反复迭代,将低压涡轮轴分为中段设计、连接结构设计和局部结构设计;且强度分析融入结构设计,弥补了先结构设计后强度分析设计修改存在滞后性,提高了低压涡轮轴设计质量和效率。

基于视觉引导的航空发动机低压涡轮轴自动化装配系统研究

针对航空发动机低压涡轮轴传统手工装配存在的劳动强度大、装配效率低下、人工拧紧预紧力偏差大等问题,设计并研制了一套航空发动机低压涡轮轴自动化装配系统。实现了涡轮轴装配的轴孔自动调姿对接、安装止口自动加热测温、螺母自动拧紧等自动化装配工艺流程,并开发了相应的软件控制系统。针对狭小空间内轴孔装配位姿难以测量的难题,利用双目结构光相机获取的三维点云数据,对安装面装配距离与孔位对齐角度进行高精度测量,给定测量范围内安装面匹配测量误差小于0.05 mm,基于最小距离优化的孔位对齐角度测量偏差小于0.07°,基于力位复合控制的自动化装配实验表明视觉测量系统满足低压涡轮轴的自动化装配需求。

纤维增强复合材料涡轮轴结构静强度计算与分析

基于适用于纤维增强复合材料的细观力学代表体积元(RVE)法和材料强度失效参数计算公式,计算体积分数为40%的SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料的力学性能参数和强度失效参数,建立以实际某型号发动机低压涡轮轴为背景,并用SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料代替原有高温合金材料,应用复合材料宏观强度准则中的蔡—吴张量失效准则,对其进行静强度计算与失效判定,总结作为衡量趋近失效程度的蔡—吴强度指数随轴结构复合材料铺层数的变化规律,同时对铺层总数为27层的轴结构进行给定载荷下的强度计算,得出轴结构内部每一铺层的强度指数及铺层强度指数随铺层位置、45°铺角不同的变化规律,并预测在极限载荷下轴结构铺层首先出现失效的情况。

细长空心涡轮轴加工工艺研究

低压涡轮轴是典型薄壁空心长轴,该零件材料为GH4169,切削工艺性差,难加工,刀具易磨损,加工硬化现象严重,加工过程中零件转速不能太高。零件大头锥面直接过渡到轴身及深孔结构特点,需要设计、制造特殊结构的专用深孔钻头、深孔铰刀等专用工装、数控机夹刀具。寻求最佳的走刀路线和接刀点位置,调整、优化数控程序,摸索最佳切削参数,通过切削试验来验证数控程序的正确合理。

复合材料轴结构力学性能预测及铺层方案设计

针对连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能预测问题,考虑纤维呈四边形和六角形两种周期性排列方式,基于细观力学有限元方法,建立六种代表体积元(RVE)模型,计算该材料的宏观力学性能参数,并与已有的三种细观力学模型计算结果进行对比分析。在此基础上,以低压涡轮轴为研究对象,将选定的RVE模型预测所得的宏观力学性能参数应用于该纤维增强复合材料轴结构的铺层方案设计中,利用数值模拟方法计算该轴结构在给定弯矩、扭矩作用下的变形量和应力,并分析铺层角度、厚度及铺层顺序对轴结构抗弯、抗扭性能的影响规律。研究发现纤维按某种特定的铺层角度组合铺设,可有效提高轴结构的抗弯、抗扭性能,通过计算分析提出了铺层设计方案。

发动机低涡轴碰磨故障的装配工艺分析

针对航空发动机低压涡轮轴的碰磨故障,从装配工艺性出发,进行结构特点和工艺方法分析,通过定心引导分析、吊装稳定性分析、碰磨风险计算,得出装配过程中低压涡轮轴的碰磨原因。提出增加后支点定心引导、提高定心配合精度等改进措施,实现低压涡轮轴的双支点水平定心引导装配,解决低压涡轮轴表面防腐漆的碰磨脱落问题。

连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构承扭特性分析

为实现对该类复合材料部件结构完整性的设计分析,以连续纤维增强复合材料轴结构为研究对象,对比分析4种细观力学模型计算连续纤维增强金属基复合材料的力学性能参数;在此基础上,采用RVE(代表体积元)有限元模型计算的复合材料力学性能参数作为输入,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学分析模型.计算与对比分析不同材料方案下纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的变形量及承扭能力,当纤维体积分数一定时,方案4的变形量最小,方案2的临界屈曲转矩最大.

纤维增强复合材料涡轮轴结构疲劳寿命预测

研究了连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在给定低循环载荷作用下的疲劳寿命估算方法.考虑连续纤维增强复合材料结构特性,研究了基于局部应力应变法的低周疲劳寿命预测方法,并对预测方法的有效性进行了验证.基于此方法,计算了某型航空发动机低压涡轮轴的最大应力、应变和疲劳寿命.结果表明:在0°~90°范围内,45°铺层角度的复合材料层疲劳寿命值最大;当金属厚度不变,外层金属和首层复合材料层的疲劳寿命随复合材料厚度增加而增大;当轴结构壁厚保持6mm不变,减小复合材料层的厚度,同时相应增大最内层或最外层金属包套的厚度,其结构疲劳寿命都随着复材层的厚度减小而减小;外层金属包套的寿命则远大于首层复合材料的疲劳寿命.

纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5000~5500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元(RVE)模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明:采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用(GE)公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.

基于Plant Simulation的发动机主轴智能锻造生产车间设计及仿真优化

随着智能化的发展,当前智能车间的改造与实施已经成为制造业推动智能制造转型的重要途径。为了探索智能化车间对提高航空发动机主轴锻造生产水平的益处,以某型号航空发动机低压涡轮轴为对象,研究主轴自由锻过程中的工艺,设计发动机主轴智能锻造生产车间。基于Plant Simulation构建锻造设备布局模型,对车间的生产情况进行仿真分析,优化生产系统的瓶颈和节拍干涉。根据仿真优化的有效性,对现有产线进行智能化升级,使得工艺等待时间降低了30%,生产效率提高了20%,锻件合格率提高了15%。