[发明专利]一种航空发动机转子紧固界面切向接触阻尼预测方法

说明书

本发明提供一种航空发动机转子紧固界面切向接触阻尼预测方法，涉及高端装备紧固连接界面力学技术领域，航空发动机的双转子结构一般是通过紧固螺栓装配连接而成，因而会形成诸多紧固界面。本发明从转子连接界面微观接触分析角度出发，基于三维分形接触理论和粘性阻尼机制，给出了一种预测转子紧固界面切向接触阻尼的方法。界面阻尼是紧固界面的重要动态特性参数之一，对整个转子系统的动态稳定性有着重要的影响。该方法可以使得通过实验测得的切向阻尼，转而通过简单的计算就可获得，因而具有简单高效的效用，这可为掌握连接界面主动设计方法，改善转子装配性能提供支撑。

技术领域

本发明涉及高端装备紧固连接界面力学技术领域，尤其涉及一种航空发动机转子紧固界面切向接触阻尼预测方法。

背景技术

航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，属于高端机械装备。发动机的转子部件限于机械工艺，当前服役的主流航空发动机大多采用螺栓连接，这是因为此种紧固形式结构简单且连接刚性良好。从而转子部件中存在大量的紧固界面，这些界面使得机械系统成为一个非连续结构系统。非连续结构的转子紧固界面在超高转速和复杂动载荷作用下，会产生界面连接松弛和结构疲劳。为契合航空发动机转子系统整体精确化建模的发展趋势和在设计阶段预测紧固界面的力学行为，需要对界面的接触阻尼进行预测和分析。接触阻尼由法向接触阻尼和切向接触阻尼组成，相对于法向接触阻尼而言，切向接触阻尼是占据主导地位的。

发动机转子进行各段间装配时，需要在设计初始阶段就能对整体的动态特性进行预测，而这在很大程度上又取决于紧固界面的柔性连接行为。从而本发明实际解决的技术问题就是对紧固连接的界面接触阻尼进行预测分析，尤其针对通过螺栓连接形成的航空发动机转子的紧固界面切向接触阻尼进行预测。

当前发动机转子存在紧固界面的连接阻尼不均匀、松脱特性不稳定情况，很多拧紧的工艺需完全参照国外的维修手册，航空发动机大量使用国产螺纹紧固件的接触阻尼工艺设计缺乏机理支撑和工程技术参考，限定了我国在该领域的技术自主创新。本发明能预测出紧固界面的切向接触阻尼大小，针对发动机转子上的螺栓布置形式、螺栓型号大小、连接螺栓的个数以及所施加的螺栓预紧力均能自主调整，解除了国外对这一技术的封锁，为进一步优化整个界面连接紧固特性提供了基础。同时这将为构建典型航空发动机关键连接结构连接工艺数据库，支撑航空发动机连接工艺自主开发、正向设计及精确控制打下基础。

发明内容

本发明针对航空发动机转子紧固界面接触特性预测的需求，突破了基于复杂振动测试实验而得到切向接触阻尼的局限性，提供了一种航空发动机转子紧固界面切向接触阻尼预测方法。

本发明所采取的技术方案是：一种航空发动机转子紧固界面切向接触阻尼预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对航空发动机转子紧固界面上的单个微凸体进行切向受载分析，得到微凸体的切向变形量其中，μ表示界面摩擦因数；f表示单个微凸体所受的法向载荷；r表示微凸体实际接触圆的半径；Q表示界面所受的切向载荷；F表示界面所受的法向载荷；表示等效剪切模量，G₁、G₂，ν₁、ν₂分别表示两个微凸体的剪切模量和泊松比；

步骤2：当微凸体在法向和切向载荷同时作用下，如果切向载荷小于最大静摩擦力，那么微凸体会在切向产生微滑，从而单个微凸体在一个切向加载周期内的耗能w_d为

步骤3：单个微凸体的切向接触阻尼为其中，ω是切向载荷的角频率；

步骤4：利用粗糙连接界面的微凸体分布函数n(a)，将步骤3得到的单个微凸体的切向接触阻尼扩展到整个粗糙连接界面上，得到整个连接界面的切向接触阻尼，微凸体分布函数其中，D表示三维粗糙表面的分形维数，2<D<3；a_L表示所有微凸体中的最大接触面积，a表示微凸体的接触面积；