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榫连结构的高应力梯度及破坏分析

北京航空航天大学学报 2010年第10期36卷 1184-1188页

作者：魏大盛王延荣北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

某燕尾形榫连结构的分析表明叶盘榫齿/榫槽接触区边缘存在较高的应力梯度,接触应力的有限元解同网格疏密程度密切相关.通过建立一系列不同密度网格的模型,对此问题展开有限元建模分析,以改善接触应力的求解精度,同时深入讨论材料弹塑性... 详细信息

某燕尾形榫连结构的分析表明叶盘榫齿/榫槽接触区边缘存在较高的应力梯度,接触应力的有限元解同网格疏密程度密切相关.通过建立一系列不同密度网格的模型,对此问题展开有限元建模分析,以改善接触应力的求解精度,同时深入讨论材料弹塑性对接触应力的影响.在弹塑性接触应力分析的基础上,采用断裂力学方法建立了榫连结构高应力梯度位置的破坏分析模型,判断裂纹的萌生及扩展方向,以进行结构的强度及寿命分析.

关键词：榫连结构高应力梯度破坏裂纹萌生断裂力学

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榫连结构几何参数对接触应力的影响

推进技术 2010年第4期31卷 473-477页

作者：魏大盛王延荣北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

以某燕尾形榫连结构作为研究对象,采用有限元法开展了接触应力分析,用以研究榫连结构几何参数对其接触应力的影响,并应用于工程中榫连结构的强度分析。计算表明榫齿/榫槽接触区边缘存在较高的应力梯度;在此基础上,建立了不同的几何模型... 详细信息

以某燕尾形榫连结构作为研究对象,采用有限元法开展了接触应力分析,用以研究榫连结构几何参数对其接触应力的影响,并应用于工程中榫连结构的强度分析。计算表明榫齿/榫槽接触区边缘存在较高的应力梯度;在此基础上,建立了不同的几何模型以考查关键几何参数对接触应力的影响,例如接触面角度、长度、接触区边缘圆角半径以及接触面几何形式,重点研究了圆弧/直线几何形式下的接触应力分布,并讨论了其几何参数对接触区应力改善的作用;研究结果表明合理选择几何参数可以改善接触区应力分布,提高榫连结构寿命。

关键词：榫连结构接触应力高应力梯度关键几何参数接触面构形优化设计

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碰摩作用下盘片榫连结构接触特性的响应分析

航空动力学报 2015年第9期30卷 2203-2211页

作者：马辉王迪太兴宇能海强闻邦椿东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819

以某压气机燕尾形榫连结构为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了盘片的有限元模型.用脉冲力模拟局部碰摩时的碰摩力,分析了两种碰摩情况对榫连结构接触特性的影响,首先分析了侵入量为定值时,不同转速对榫连结构接触特性的影响,接着分... 详细信息

以某压气机燕尾形榫连结构为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了盘片的有限元模型.用脉冲力模拟局部碰摩时的碰摩力,分析了两种碰摩情况对榫连结构接触特性的影响,首先分析了侵入量为定值时,不同转速对榫连结构接触特性的影响,接着分析了当转速为定值时,不同侵入量对榫连结构接触特性的影响.研究结果表明:随着转速的升高,榫连结构的最大接触压力和最大接触滑移距离不断的增加,最大接触压力变化规律变得更加复杂,而最大接触滑移距离变化规律逐渐趋于稳定并且最大接触滑移距离之间的变化幅度减小.随着侵入量的增加,榫连结构的最大接触压力以及最大接触滑移距离都会增大,但过大的侵入量将导致最大接触滑移距离发生突变.通过分析不同工况下几个节点接触压力及接触滑移距离的频谱响应,发现碰摩会产生转频的高倍频成分,当转频的倍频成分接近叶片固有频率时会出现倍频幅值放大现象.

关键词：盘片系统榫连结构碰摩接触特性有限元

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压气机盘片榫连结构接触特性分析

东北大学学报（自然科学版） 2015年第1期36卷 109-113页

作者：马辉王迪能海强太兴宇东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

以某压气机燕尾形榫连盘片结构为研究对象,压气机盘片模型共有38个叶片,基于ANSYS有限元软件,选取整盘的1/38进行有限元建模.并考虑了旋转导致的离心力的作用,分析了榫头-榫槽之间的摩擦系数、榫头的安装角和接触面积对接触压力、接触... 详细信息

以某压气机燕尾形榫连盘片结构为研究对象,压气机盘片模型共有38个叶片,基于ANSYS有限元软件,选取整盘的1/38进行有限元建模.并考虑了旋转导致的离心力的作用,分析了榫头-榫槽之间的摩擦系数、榫头的安装角和接触面积对接触压力、接触滑移距离的影响.在计算时拉格朗日乘子算法被应用于榫头-榫槽之间的接触计算.研究结果表明:最大接触压力及最大滑移距离随着摩擦系数的增加而逐渐减小;最大接触压力随着榫头安装角的增大而增大,而最大滑移距离没有发生明显的变化;最大接触压力及最大滑移距离随着接触面积的增加而逐渐减小.

关键词：盘片榫连结构接触面接触特性有限元

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榫连结构接触面特性分析及轮盘的优化设计

榫连结构接触面特性分析及轮盘的优化设计

作者：苏文涛东北大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词： Hertz接触榫连结构接触特性碰摩 ANSYS HyperWork拓扑优化

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圆弧形榫连结构低循环疲劳试验与寿命分析

燃气涡轮试验与研究 2016年第2期29卷 38-42,62页

作者：李迪王延荣廖连芳王家广卫飞飞中航商用航空发动机有限责任公司设计研发中心上海201108 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

针对大涵道比涡扇发动机采用的圆弧形燕尾榫连结构,设计了缩尺的双榫头疲劳试验件及其试验夹具。开展了不同载荷水平下的低循环疲劳试验,并对比了表面强化对试验件疲劳特性的影响,给出了可初步用于设计的疲劳寿命S-N曲线。研究表明：圆... 详细信息

针对大涵道比涡扇发动机采用的圆弧形燕尾榫连结构,设计了缩尺的双榫头疲劳试验件及其试验夹具。开展了不同载荷水平下的低循环疲劳试验,并对比了表面强化对试验件疲劳特性的影响,给出了可初步用于设计的疲劳寿命S-N曲线。研究表明：圆弧形燕尾榫头试件的疲劳失效形式为微动磨损导致的疲劳断裂;相同疲劳载荷水平下,表面强化试验件的疲劳寿命比未强化试验件的高40%～65%;不同载荷水平下的试验结果基本符合Miner累积损伤准则。

关键词：大涵道比涡扇发动机榫连结构低循环疲劳微动疲劳表面强化 Miner准则

发动机叶盘榫连结构的多轴疲劳寿命预测与可靠性分析

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发动机叶盘榫连结构的多轴疲劳寿命预测与可靠性分析

作者：徐燊电子科技大学

学位级别：硕士

随着我国航空工业的飞速发展,对航空发动机的工作效率和可靠性需求愈发提高。枞树型榫连结构作为现代航空发动机转子结构中涡轮叶片与涡轮盘连接的一种重要连接形式,在实际运行过程中时常承受高温、高压及复杂载荷的循环作用,一旦发生... 详细信息

随着我国航空工业的飞速发展,对航空发动机的工作效率和可靠性需求愈发提高。枞树型榫连结构作为现代航空发动机转子结构中涡轮叶片与涡轮盘连接的一种重要连接形式,在实际运行过程中时常承受高温、高压及复杂载荷的循环作用,一旦发生破坏性的机械故障,将导致极其严重的后果。因此,着重对叶盘榫连结构进行疲劳寿命预测和可靠性分析具有尤为重要的工程价值。本文以某型号航空发动机中的叶盘榫连结构为研究对象,开展了如下研究:(1)基于FS损伤参量的多轴疲劳临界面-损伤参量。采用FS模型对轮盘合金GH4169进行多轴疲劳分析时,预测效果偏保守,针对此,基于FS损伤参量提出了一个新的多轴疲劳临界面-损伤参量。结合有限元仿真,对某高压涡轮盘进行了疲劳寿命预测,与传统多轴疲劳模型的预测结果进行对比与分析,改进模型的寿命预测精度更高,可为后续模型研究提供参考。(2)考虑虚剪应变能的多轴疲劳寿命预测。通过分析现有多轴疲劳寿命预测模型,探讨了虚剪应变能与疲劳寿命之间的关系,并基于此,构造了一个结合应变能和临界面法且无附加材料常数的多轴疲劳寿命预测模型。结合不同加载路径下GH4169和TC4试验数据,结果显示,相比现有的模型,新模型在寿命预测精度和适用范围上有着显著的优势。(3)缺口件的应力应变计算与疲劳寿命预测。通过计算循环载荷下弹塑性体的应变能,同时为得到更加精确的缺口根部应力应变响应,基于Neuber准则开展了考虑热耗散能的缺口件应力应变分析,与弹塑性有限元分析(FEA)结果对比显示,提出的准则相对于现有的计算准则精度更高。此外,考虑了缺口支撑效应对传统能量模型进行修正,进一步提高了缺口件的疲劳寿命预测精度。(4)涡轮盘结构疲劳可靠性分析。为更加合理反映实际工况中高压涡轮盘的真实性能,根据GH4169合金疲劳试验数据绘制P-S-N曲线,同时通过榫槽部位的有限元仿真结果对涡轮盘造成疲劳损伤的典型工况进行分析,并采用提出的多轴疲劳寿命模型对其进行寿命预测。最后,考虑了涡轮盘材料性能、结构几何尺寸和转速等因素对其疲劳寿命分散性的影响,基于各工况下涡轮盘的P-S-N曲线和Miner法则进行了疲劳可靠性分析。

关键词：榫连结构多轴疲劳虚剪应变能缺口疲劳可靠性分析

基于临界面-能量法的榫连结构低周多轴疲劳寿命预测

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基于临界面-能量法的榫连结构低周多轴疲劳寿命预测

作者：郝梦飞电子科技大学

学位级别：硕士

作为航空发动机的主承力部件之一,高压涡轮盘由于工作环境恶劣而被列为航空发动机的第一关键部件,在提升发动机整体性能的同时,须对其关键零部件的结构完整性给予充分的重视。榫连结构作为航空发动机的关键零部件以及涡轮盘与叶片的主... 详细信息

作为航空发动机的主承力部件之一,高压涡轮盘由于工作环境恶劣而被列为航空发动机的第一关键部件,在提升发动机整体性能的同时,须对其关键零部件的结构完整性给予充分的重视。榫连结构作为航空发动机的关键零部件以及涡轮盘与叶片的主要连接形式,在运转时承受着复杂的循环热载荷和机械载荷的耦合作用,通常是发动机结构中故障失效频发的关键区域,其中低周疲劳失效是其最主要的失效模式。因此,针对榫连结构在低周疲劳失效模式下的疲劳寿命分析对于保障涡轮盘与叶片安全运转具有重要意义。本学位论文以某航空发动机涡轮叶盘榫连结构为研究对象,开展了如下研究:(1)基于冯·米塞斯准则合成的等效应变的多轴疲劳疲劳寿命预测基于冯·米塞斯准则合成的等效应变,提出了新的多轴疲劳临界平面-损伤参量。对不同加载路径下轮盘合金GH4169等3种材料的薄壁圆环光滑试样的实验数据进行疲劳寿命预测,并结合4种常用的多轴临界面疲劳寿命预测模型,验证了所提出模型的疲劳寿命预测精度。(2)基于临界平面-等效应变能的多轴疲劳寿命预测基于等效应力寿命曲线的研究,对冯·米塞斯等效应力进行了修正。同时,为考虑等效应变的影响,耦合能量和临界平面法提出了新的多轴疲劳寿命预测模型,结合不同加载路径下轮盘合金GH4169等3种材料的管状光滑试样的试验数据和FS模型等4种常用的临界平面寿命预测模型,对新模型的适用性和预测精度作了验证。(3)基于临界平面-能量模型的涡轮叶盘疲劳寿命预测对某高压涡轮叶盘在典型工况进行有限元分析,得到涡轮盘在慢车等三种转速循环加载下的应力和应变仿真结果,通过提取在这三种工况下涡轮盘考核部位的应力和应变仿真信息,并结合提出的临界平面-能量多轴疲劳寿命模型对其进行寿命预测。

关键词：榫连结构临界平面多轴疲劳等效应变能寿命预测

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基于累积损伤理论的榫连结构疲劳可靠性分析

基于累积损伤理论的榫连结构疲劳可靠性分析

作者：夏伏龙电子科技大学

学位级别：硕士

航空发动机作为飞机的动力装置,其性能的优劣与飞机运行的安全与否息息相关。愈趋恶劣的服役环境导致发动机零部件承受着复杂的工况载荷,这意味着在提升航空发动机整体性能的同时,须对其热端部件的结构完整性给予充分的重视。榫连结构... 详细信息

航空发动机作为飞机的动力装置,其性能的优劣与飞机运行的安全与否息息相关。愈趋恶劣的服役环境导致发动机零部件承受着复杂的工况载荷,这意味着在提升航空发动机整体性能的同时,须对其热端部件的结构完整性给予充分的重视。榫连结构作为涡轮叶盘的主要连接形式,其在运转时承受着气流振动、高温高压及复杂机械载荷,是航空发动机结构中故障频发的关键区域。因此,针对榫连结构的结构强度评估与疲劳可靠性分析对于降低发动机故障频率、保障涡轮转子部件安全运转具有重要意义。针对以上问题,本学位论文对某航空发动机涡轮叶盘榫连结构开展了如下研究:1)考虑静态韧性耗散理论的疲劳累积损伤分析。榫连结构在循环载荷的作用下会由于损伤不断累积而导致失效。针对上述问题,通过对材料的损伤演化历程分析,考虑材料静态韧性耗散效应的影响,提出了基于等损伤线理论的疲劳累积损伤模型。利用5种金属材料两级加载下的试验数据进行验证,并与其他四种通用模型进行了模型对比,验证了所提出模型的疲劳寿命预测精度。2)随机条件下榫连结构的接触应力分析。榫连结构等热端部件在服役时往往受到多重不确定因素的影响,这些不确定因素对其结构强度的评估起着至关重要的作用。针对榫连结构接触疲劳失效问题日益突出的现状,本论文通过对纵树型榫连结构模型进行简化,结合有限元数值仿真技术,采用蒙特卡罗抽样方法对其载荷不确定性进行量化,开展了载荷不确定性条件下榫连结构的接触应力分析。明确了榫连结构载荷与接触区域应力之间的关系,为后续的接触疲劳分析奠定了基础。3)基于累积损伤理论的榫连结构疲劳可靠性分析。根据榫连结构材料性能与工况载荷具有分散性的特征,耦合多重不确定因素对其开展随机有限元分析并获取结构危险点处的应力应变数据。在此基础上,利用多轴疲劳寿命模型对榫连结构进行概率疲劳寿命预测。结合基于损伤-寿命干涉的可靠性分析方法,选取考虑静态韧性耗散效应的损伤模型对其开展可靠性分析,并对可靠性分析流程的适用性进行了评估。

关键词：榫连结构疲劳累积损伤静态韧性接触分析可靠性分析