航空发动机自锁螺母连接性能退化机理研究

作     者：高崇 

作者单位：沈阳航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田晶;刘海涛

授予年度：2023年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：自锁螺母 有限元 螺栓连接 建模 预紧力 

摘      要：目前自锁螺母连接结构以其连接力大、防松性能优异、便于拆卸等优点得到航空、航天等行业的广泛应用。在自锁螺母连接结构研究发展中,由于收口自锁螺母的形状复杂,难以对其准确建模,缺少其仿真相关的研究,从而对自锁螺母连接性能退化机理的研究不足。因此,解决自锁螺母的精确建模问题,开展航空发动机自锁螺母结构及性能退化机理的研究,提高自锁螺母的紧固性能对航空发动机的发展具有深远的意义。本文从有限元仿真和试验验证的角度主要研究了航空发动机非收口螺母和自锁螺母精细建模方法以及连接性能退化机理的相关问题。首先根据标准螺纹表达式,建立非收口螺母连接结构的有限元模型;进一步推导了自锁螺母收口区螺纹表达式,并结合非收口螺母模型生成方法,建立了自锁螺母的高保真模型;分析了非收口螺母和自锁螺母分别在不同初始预紧力、外部载荷激励幅值、频率等条件影响下连接性能的变化规律,通过开展非收口螺母和收口自锁螺母松动实验对松动机理进行了验证;进一步通过有限元仿真研究收口区厚度、收口区长度、收口量等结构参数对航空发动机自锁螺母紧固性能的影响。经研究得到了一种基于数字划分的航空发动机自锁螺母建模方法,通过Matlab编程和Hypermesh可以建立自锁螺母的高保真模型,解决了航空发动机自锁螺母建模困难不精确的问题。通过有限元结合试验分析获得了非收口螺母和收口自锁螺母的松动规律:初始预紧力越大,激励载荷幅值及频率越小,残余预紧力越大,紧固性能越好。同时自锁螺母的防松性能明显优于非收口螺母,并进行松动试验验证了模型和结论的准确性。结论表明在非收口螺母中得到的松动机理在航空发动机自锁螺母上同样适用,自锁螺母在航空发动机上的应用仍可以遵守非收口螺母的松动机理进行指导使用。进一步通过有限元研究的方法得到收口区厚度、收口区长度、收口量以及接触面摩擦系数越大,航空发动机自锁螺母的防松性能越好的影响规律。