[发明专利]一种弹性环式支承结构刚度设计的简化设计方法

说明书

本发明涉及一种弹性环式支承结构刚度设计的简化设计方法，通过研究弹性环式支承结构中弹性环的受力以及变形规律，采用真实的弹性环结构，对弹性环施加相应载荷与约束，实现弹性环式支承结构中的弹性环与单独的弹性环的位移、应力云图变化一致，以实现对弹性环式支承结构真实变形、应力分布情况的模拟，并根据此确定最大危险应力点的位置，方便开展对弹性环式支承结构进行结构优化与寿命计算。根据弹性环力与位移变形的关系准确求得弹性环单环简化模型的刚度并与弹性环式支承结构的刚度进行对比验证，在保证刚度计算结果准确性的同时，也提高了计算效率缩短了有限元计算的时间，可快速准确的实现对弹性环式支承结构的刚度设计。

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种弹性环式支承结构刚度设计的简化设计方法。

背景技术

在航空发动机总体结构设计阶段，通过改变轴的尺寸、支点位置等转子结构参数来调节临界转速是有很大难度的，调节转子系统的临界转速常采用弹性支承结构，通过改变弹性支承结构的支承刚度来调节转子系统临界转速，常见的弹性支承结构有弹性环式支承结构与鼠笼式弹性支承结构，其中弹性环式支承结构具有质量小、加工和装配方便等优点，另外还可通过弹性环式支承结构本身的变形和其材料的内阻作用，来吸收消除转子系统产生的振动能量，起到降低振动幅值，改变应变能的作用，得到了越来越广泛的应用。因此优化弹性环式支承结构的设计步骤，精确的计算和设计弹性环式支承结构的刚度十分重要。但由于弹性环式支承结构结构较为复杂，目前针对弹性环式支承结构的设计方法，往往采用如图1所示的弹性环式支承结构的有限元模型进行分析计算，其中1为轴承座；3为弹性环；4、2分别为内外衬套；5模拟轴承外圈；6为轴承外圈与内衬套的接触；7为内、外凸台与内外衬套的接触，节点较多且涉及接触、摩擦、滑动等非线性因素，造成仿真计算时间较长，导致设计困难，并且设计过程多取决于设计人员的经验，具有试凑性质，不同方案的疲劳强度差别很大，难以同时满足刚度和疲劳强度的要求，需进行重复的参数调整设计，会在参数调整上耗费大量的时间，在很大程度上影响了对弹性环式支承结构刚度的设计过程，不利于进一步研究发动机支承刚度的模拟方法，如何快速、有效且准确的对弹性环式支承结构进行刚度设计成为了当前急需解决的问题。

现有的弹性环式支承结构刚度设计的简化方法主要分为两类，一种为理论解析的方法计算刚度，弹性环的结构特性为均匀分布多个凸台，环段数很多，跨度小，且环厚度远小于环半径，因此在Artemov理论解析的文献中，将其每一个单独的环段简化为两端固支的直梁，可用材料力学的方法推导得到其刚度计算公式，并对每个简化的环段进行分析，即可得到弹性环整体的刚度，其中弹性环结构示意图如图2所示，D为内直径，凸台个数为n，b为凸台长度，△为凸台高度，s为壁厚，L为宽度。

另一种为对弹性环式支承结构的有限元模型进行简化，在文献中《Experimentaland numerical investigations on novel models for mechanical behaviors of theelastic ring in aero-engine》(DOI:10.1177/09544062211013066)中，由于弹性环式支承结构为对称结构，将弹性环式支承结构进行了半环简化，并用二维有限元模型代替有限元三维模型，通过刚度计算证明了简化结果的有效性，节约了计算时间；在发明专利CN109583062A中，将弹性环式支承结构离散为若干弹性单元，每个弹性单元由一个内凸台以及相邻两个外凸台的一半所组成，由于最下方凸台为主要受力与变形的区域，对弹性单元进行有限元仿真获得弹性单元的刚度，不同弹性单元对应不同刚度的弹簧，计算每个弹性单元做功，通过能量守恒定量即可求得弹性环整体刚度，有效降低有限元分析的计算量，提高计算效率；在文献《Studying ofManufacturing Tolerance Influence on thePerformance ofGTE Rotor Elastic Rings》(DOI:10.1016/j.proeng.2017.02.348)中，将弹性环式支承结构的环段简化为互相接触的板，保留了凸台特征，并通过拟合的方式得到了简化结构刚度与弹性环式支承结构刚度的数学关系式，节约了计算时间。上述背景方案对应的简化模型如图3所示。