两段预紧的端齿连接转子轴向预紧力的确定

现代涡桨、涡轴发动机多采用前、后两段分别轴向预紧的端齿连接转子，确定其预紧力的大小是一个极为重要而又非常困难的问题。在已知转子工作时各种载荷引起的轴向松弛力和压紧力的前提下，本文作者曾提出过一个综合考虑紧度裕度、强度裕度、装配关系等多因素的轴向预紧力确定准则。通过对中心拉杆中间凸肩与其接触零件在工作中是否出现分离现象的进一步研究，本文对原先提出的准则作了必要的补充，并对相应的预紧力计算方法进行必要的修改，以满足准则中的新要求。

端齿连接转子轴向松弛力（压紧力）计算

将端齿连接转子的零部件简化归并为４类结构，利用弹性力学、壳体理论、有限元素法及多变量函数插值技术等手段，导出各类结构轴向柔度系数的工程计算表达式，并给出离心力、气动力、热载荷及机动载荷等在各端齿接触面处引起的轴向松弛力或压紧力的计算公式。还介绍了根据本文提出的方法及公式开发的计算机程序。

复合材料预紧力齿连接技术研究现状与进展

复合材料预紧力齿连接是一种适合大承载构件、具有高连接效率的连接技术,已展现出良好的应用前景。本文简述了复合材料预紧力齿连接技术在破坏模式、传力机理与设计计算方法等方面的研究进展,介绍了该技术在两个典型结构中的应用情况,最后展望了该技术的应用前景,提出了该技术在基础性研究方面有待完善的工作。

复合材料预紧力齿连接件剪切疲劳试验研究

研究表明复合材料预紧力齿连接接头具有良好的静力性能,但对其在循环载荷作用下的疲劳性能还没有深入研究。主要针对不同预紧力下的接头进行了大量疲劳试验,首先通过对试验结果的分析,讨论了预紧力对接头疲劳寿命的影响规律;然后分析了滞回曲线的变化规律,探讨了滞回曲线与接头疲劳损伤累积的关系;最后通过对试件疲劳断口的观察和分析,初步探究了接头的疲劳破坏机理。

双排圆弧端齿连接结构对转子动力特性的影响

为了准确研究航空发动机双排圆弧端齿连接结构的局部刚度非线性特征对转子动力特性的影响,建立了考虑端齿齿面接触状态的双排圆弧端齿扇区模型,首次得到了双排圆弧端齿的弯曲刚度分布特性;并将双排圆弧端齿连接结构的局部刚度非线性特征引入转子系统动力学方程中,得到了双排圆弧端齿连接结构对典型航空发动机高压转子系统动力特性的影响。研究结果表明:双排圆弧端齿连接结构弯曲刚度随弯矩的增大而减小,呈现明显的软特性;端齿的局部刚度非线性使转子系统的弯曲临界转速降低约1%,对刚体振型的影响小于0.1%。因此在工程实践中,对于工作转速高于弯曲临界转速的转子系统,应当考虑双排圆弧端齿连接结构的影响。

端齿连接及变轴力的影响

针对端齿连接及变轴力这二大特点，本文就轴向预紧端齿连接转子的强度及动力特性以及相应分析方法进行讨论。首先说明端齿连接及变轴力对于转子强度及动力特性的影响，然后从相应分析方法及分析内容两个方面，针对以往工作的不足作出必要的补充。

弯压耦合作用下的复合材料预紧力齿连接力学性能研究

研究表明预紧力齿连接接头在结构中不仅会受到轴力的作用,还会同时受到弯矩的作用,但现阶段尚未对复合材料预紧力齿连接在弯矩和轴力耦合作用下的力学性能展开研究。本文首先对复合材料预紧力齿连接在弯压耦合作用下的试验方法进行了研究,通过液压千斤顶和万能试验机实现了接头在弯压荷载作用下的加载;其次分别对接头进行了轴压、纯弯以及弯压耦合试验,得到了接头在不同荷载下的传力机理。研究表明:在弯压耦合作用下,接头的作用效果可以近似地看作是相应荷载下纯弯与轴压线性叠加的结果;弯矩的存在会在很大程度上影响接头的力学性能,因此在对接头进行设计时要充分考虑弯矩对接头承载力的影响。

钢齿齿长变化对复合材料预紧力齿连接接头力学性能影响的试验研究

通过拉伸试验研究了不同钢齿齿长对一种新型复合材料预紧力齿连接接头力学性能的影响,发现了该接头的几种破坏模式以及极限载荷随钢齿齿长的变化规律,并且通过理论公式推导出钢齿发生弯剪变形的临界齿长。研究结果表明:接触端钢齿齿长变化对应复合材料预紧力齿连接接头存在三种破坏模式。在钢齿齿长较短的情况下,改变钢齿齿长会增大单齿的极限承载力;但钢齿齿长增加到一定长度后,钢齿齿长对接头承载力的影响趋于稳定。理论推导出的钢齿临界齿长可以作为钢齿的设计齿长。

考虑接触效应的端齿连接转子动力学特性研究

针对有限元分析软件无法处理模态分析中弹塑性单元等非线性特征的问题,利用静态有限元分析方法得出了考虑表面接触的端齿结构刚度随预紧力变化规律,提出了可以表征接触效应影响下端齿连接结构刚度的等效方法。建立了考虑接触的端齿连接转子等效模型,对不同预紧力作用条件下的转子进行了模态分析,得出了预紧力对转子各阶模态及临界转速的影响规律。结果表明:等效方法可以在模态分析中正确反映接触效应对转子刚度的影响,精度满足工程应用要求。

拉压状态下预紧力齿连接接头承载力和剪应力分布规律研究

复合材料预紧力齿连接是一种新型连接方式,具有较高的连接效率。本文对预紧力齿连接平板单齿试件进行拉伸与压缩试验,研究对比两种荷载状态下的承载力和剪应力分布规律,采用数字散斑和有限元接触建模两种方法分析齿剪切面的剪应力分布。通过研究发现,相同参数的单齿试件在拉伸与压缩荷载下的承载力相差不大,但两种荷载下齿剪切面的剪应力分布规律却不同。该结论可以用于预紧力齿连接接头的设计计算中。

带套齿连接结构的转子系统振动稳定性实验研究

为了研究带套齿连接结构的转子系统振动稳定性,推导了套齿连接结构的内摩擦力表达式,由此求解了转子系统振动失稳的条件。设计并搭建了带柔性和刚性两种不同套齿连接结构的实验转子系统。实验研究了带不同套齿连接结构的转子系统振动的稳定性。实验发现,带柔性套齿连接结构的转子系统易于发生由内、外套齿齿面间内摩擦所引起的振动失稳。失稳的特征是转子振动中出现较突出的次谐波分量,次谐波频率为转子系统的第一阶自振频率。次谐波出现的门槛转速略高于转子系统的第一阶临界转速。不对中度的增大对次谐波具有激励作用,促使转子失稳加剧,锁紧螺母拧紧力矩增大对失稳有抑制作用。带刚性套齿连接结构的转子系统越过了工作转速范围内的第三阶临界转速,未出现失稳现象。在第一阶模态与第二阶模态处分别进行了300s的"共振"实验,实验过程中未出现次谐波振动分量,转子保持稳定。结果表明,带刚性套齿连接结构转子的稳定性高于带柔性套齿连接结构的转子。

多向受力状态下复合材料预紧力齿连接接头应力分析

为了探究复合材料空间桁架桥中关键节点预紧力齿连接接头在多向受力状态下的应力分布,对复合材料空间桁架桥建立多尺度有限元模型。该多尺度模型不仅可以同时获得桁架桥整体结构性能与局部接头应力状态,还可以有效反映两者的相互作用关系。通过该模型,对接头在多向受力状态下的应力分布展开研究,研究表明:预紧力齿接头受力之后,齿面正应力较过盈装配完成时有5 MPa以内的衰减;且多向受力接头较单向受力接头衰减缓和,衰减后多向受力接头齿面正应力略高于单向受力接头齿面正应力;多向受力接头各齿荷载分配比例与单向受力基本一致,均为两侧高中间低;多向受力接头复合材料管横向剪切应力较单向受力接头有一定增大,但最不利荷载工况下的横向剪切应力为15.7 MPa,远小于材料横向剪切强度,接头处于安全状态。所得结果可为复合材料预紧力齿接头设计提供参考依据。

复合材料预紧力齿连接多齿接头的疲劳试验研究

复合材料预紧力齿连接具有良好的静力学性能,但业界对该接头的疲劳性能研究较少。对开螺栓孔和不开螺栓孔两种复合材料多齿接头的疲劳性能进行了试验研究。研究表明:玻璃纤维增强树脂基复合材料采用预紧力多齿连接时,接头的疲劳性能由玻璃纤维增强树脂基复合材料本身的拉伸疲劳性能决定,而非由剪切疲劳性能决定。

套齿连接结构力学模型及其刚度影响因素

针对航空发动机套齿连接结构,建立考虑齿面啮合和定心面接触影响的刚度解析模型,并分析套齿连接结构等效刚度的关键影响参数及影响规律。研究结果表明:所建立的解析模型可以准确地反映横向载荷等参数对等效刚度的影响,并且与考虑非线性接触的有限元模型相比,显著提高了计算效率。套齿连接结构等效刚度随横向载荷、扭矩、定心面紧度的增大而增大。当定心面紧度在(-0.02~0.02)mm范围内时,套齿连接结构刚度对定心面紧度变化较为敏感。定心面采用过盈配合,可以提高套齿连接结构整体刚度的稳定性,并且减小套齿连接结构的局部刚度损失。

考虑端齿连接的转子-滚动轴承系统非线性振动特性研究

为了研究滚动轴承支撑下端齿连接转子系统的接触效应,采用三维有限元与解析法相结合推导了端齿连接刚度矩阵,建立了端齿连接转子-滚动轴承系统动力学模型,并通过Ansys验证了模型的有效性。通过与连续转子对比发现,端齿结构使转子一阶临界转速降低了5%,振幅增大了3%,非线性分岔趋势与连续转子大致相同。然而,端齿接触特性使转子明显地提早进入和离开拟周期运动,在分析含端齿结构的转子振动特性时应考虑接触效应。在转速超过15900 r/min时,转子系统做稳定的单周期运动,运行平稳,可作为工作转速合理设计阈值。研究可为含端齿结构转子系统非线性振动特性预测和工作转速设计提供分析方法和设计思路。

套齿连接转子简化建模及动力特性分析

在进行转子和整机计算时建立套齿结构接触模型会增加计算量,降低计算效率,直接将套齿结构省略又无法体现其刚度特性变化对转子动力特性的影响。针对该问题,基于航空发动机单圆柱面套齿连接的结构和力学特征,建立了考虑构件间界面接触状态的力学特征分析模型,提出了考虑套齿结构刚度随参数变化的简化建模方法,并与套齿接触模型进行了对比分析。建立了单圆柱面套齿连接结构转子简化模型,开展了相应的转子动力特性试验,对比分析了拧紧力矩对转子模态频率的影响。结果表明:转子简化模型与试验模型最大计算误差小于5%,证明套齿结构简化建模方法具有较高的可靠性和准确性,可为工程实践中高效开展含套齿结构转子及整机动力学准确计算分析提供方法与参考。

航空发动机套齿连接结构刚度特性仿真分析及试验研究

以航空发动机低压转子套齿连接结构为研究对象,分析了套齿连接结构弯曲刚度非线性特征及其产生机理,建立了考虑齿面接触的套齿连接结构实体有限元模型,进行了套齿连接结构静刚度试验,通过仿真和试验研究了套齿连接结构刚度非线性变化规律,讨论了配合间隙、拧紧力矩和扭矩对弯曲刚度的影响规律。研究结果表明,由于定位面的接触状态和受力情况不同,套齿连接结构的弯曲刚度变化主要分为两个阶段,具有分段非线性特征;套齿连接结构弯曲刚度对定位面的配合间隙较为敏感,减小定位面配合间隙可以有效提高结构的弯曲刚度;拧紧力矩对弯曲刚度的影响较小;在小载荷状态下,扭矩对弯曲刚度的影响十分明显。

基于复合材料预紧力齿连接和螺纹连接的组合接头极限承载性能研究

复合材料预紧力齿连接技术(PTTC)是一种承载效率较高的连接技术,可用于解决复合材料拼装式结构的连接问题。此种连接方式虽然能提升节点的荷载传递效率,但在高承载下的破坏模式为齿的脆性剪切,延性性能较差。提出了一种可应用于拼装式复合材料杆件的基于PTTC连接技术和螺纹连接的组合接头,通过ANSYS进行了压缩荷载下的极限承载性能研究,分别采用力与位移加载的方式进行了计算,明确了接头的破坏模式、获得了荷载-位移曲线。研究发现:在一定玻璃纤维增强复合材料(GFRP)杆件长度下,破坏模式先后表现为杆件屈曲失稳、金属套筒塑性破坏以及GFRP管受压劈裂等,均避免了纤维增强复合材料(FRP)齿的脆性剪切破坏。此外,位移加载条件下延性系数有较大提高,组合接头延性性能较好,计算结果与工程实际应用更贴合。

大跨度齿板连接木桁架搁栅楼盖竖向振动性能试验研究

为研究齿板连接木桁架搁栅楼盖的人致振动响应,对12m跨度齿板连接木桁架搁栅楼盖振动性能进行了足尺试验研究,分析了横撑和隔墙对木楼盖振动特性、楼盖刚度的影响,分析了单人步行荷载和自由落体冲击荷载作用下木楼盖的振动响应。结果表明:木楼盖前三阶振型符合预期,单跨木楼盖的基本自振频率在8Hz以下,低于连跨形式木楼盖的基本自振频率;安装横撑和设置隔墙都可以增加木楼盖的前三阶频率;在不同位置安装横撑均可提高木楼盖的刚度,减小木楼盖的静态挠度,均匀安装4排横撑可将楼盖中心静态挠度降低47.5%;不同方向步行荷载激励下木楼盖的振动响应略有不同,纵向行走而致的振动响应较大,横向较小,安装隔墙后木楼盖中心的振动响应能降低40%左右;木楼盖的纵向振动传递大于横向和斜向两个方向,安装隔墙有助于木楼盖振动的传递。

竹集成材齿板连接试验研究

为了研究采用国产齿板连接的竹集成材(laminated bamboo lumber,LBL)节点的力学性能,参照《木结构试验方法标准》(GB/T 50329-2012)的相关规定,对136个LBL齿板节点开展了齿板连接试验,确定了其齿板抗拉强度设计值、齿板抗剪强度设计值、板齿强度设计值和板齿抗滑移强度设计值。结果表明,齿板取向(θ)对LBL齿板节点的力学性能有显著影响,当齿板主轴由与荷载平行(θ=0°)转为与荷载垂直(θ=90°)时,齿板抗拉强度、板齿极限强度和抗滑移强度均得到提高。现有木结构设计规范提供的板齿强度计算公式明显高估了LBL齿板节点在齿板非正交于荷载方向(θ≠0°和90°)下的板齿极限强度与抗滑移强度。基于齿板取向,提出了LBL齿板节点的板齿强度计算公式,预测误差明显减小。与胶合竹(glued laminated bamboo,glubam)齿板节点的对比表明,布置横向竹条是改善LBL齿板节点连接性能的合理方法。