CN105041386A

CN105041386A - 一种圆弧和直线段混合异型孔

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Publication number: CN105041386A
Application number: CN201510430090.2A
Authority: CN
Inventors: 郭海丁; 肖扬; 孙青平; 杨四辉
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: CN105041386B

Abstract

本发明公开了一种圆弧和直线段混合异型孔，其最大纵向轮廓为2a，最大横向轮廓为2b，所述最大纵向轮廓为2a小于等于最大横向轮廓2b；所述圆弧及直线段异型孔几何轮廓由六段圆弧和两段直线段构成，各轮廓部分光滑连接。所述六段圆弧为一个半径为R₁的顶部主圆弧，一个半径为R₄的底部主圆弧，两个关于Y轴对称的半径为R₂的上过渡圆弧以及两个关于Y轴对称的半径为R₃的下过渡圆弧；所述两段直线段为两个关于Y轴对称的长度为L的侧边直线段。本发明圆弧及直线段混合型异型孔，可有效的解决现有发动机转子和汽轮机转子幅盘上的螺栓通孔、均压孔等孔结构的应力集中现象，提高结构使用寿命。

Description

一种圆弧和直线段混合异型孔

技术领域

本发明涉及应用于航空发动机转子或汽轮机转子轮盘幅板螺栓通孔、通气均压孔的孔结构，具体来说是一种圆弧和直线段混合异型孔。

背景技术

螺栓孔、通气孔是航空发动机轮盘幅板上的常见结构，它们对轮盘承载能力的削弱将会降低结构的整体强度。如图1所示，由于现有孔的截面多为圆形，在承受各向应力值不等的多轴载荷时会产生较严重的应力集中，进而导致径向裂纹故障发生，对轮盘寿命的影响十分显著，采用孔边倒角、抛光等工艺措施来可降低危害。但不能解决根本问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种圆弧和直线段混合异型孔，以解决现有发动机转子或汽轮机转子幅板上的螺栓通孔、均压孔等孔结构的应力集中现象，提高结构使用寿命。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种圆弧和直线段混合异型孔，其最大纵向轮廓为2a，最大横向轮廓为2b，所述最大纵向轮廓2a小于等于最大横向轮廓2b；

所述圆弧及直线段异型孔几何轮廓由六段圆弧和两段直线段构成；

所述六段圆弧为一个半径为R₁的顶部主圆弧，一个半径为R₄的底部主圆弧，两个关于Y轴对称的半径为R₂的上过渡圆弧以及两个关于Y轴对称的半径为R₃的下过渡圆弧；

所述两段直线段为两个关于Y轴对称的长度为L的侧边直线段；

所述六段圆弧和两段直线段光滑相切；

所述圆弧和直线段混合异型孔的轮廓相对Y轴对称；

用于对所述圆弧和直线段混合异型孔开孔的铣刀开孔时的最小加工直径为D_min；

所述孔中：

顶部主圆弧的圆心坐标为：

(x₁,y₁)＝(0,a-R₁)

两个上过渡圆弧的圆心坐标分别为：

两个下过渡圆弧的圆心坐标分别为：

底部主圆弧的圆心坐标为：

(x₄,y₄)＝(0,R₄-a)

顶部主圆弧与两个上过渡圆弧的切点坐标分别为：

两个上过渡圆弧与两段直线段的切点坐标分别为：

两个下过渡圆弧与底部主圆弧的切点坐标分别为：

两个下过渡圆弧与两段直线段的切点坐标分别为：

式中，

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

圆弧和直线段混合异型孔为一种参数化孔型，其轮廓形状能够在最大轮廓尺寸给定情况下根据异型孔设计参数的变化而变化，从而降低孔边应力集中。以圆弧及直线段混合型异型孔替代圆形孔，并对混合异型孔设计参数进行优化后，可以显著降低孔边6点钟及12点钟位置最大主应力，对提高结构使用寿命有明显益处。

附图说明

图1为现有技术中的国外某型发动机高压涡轮盘异型孔的几何轮廓；

图2为本发明圆弧和直线段混合异型孔的几何轮廓；

图3为圆孔的第一主应力云图；

图4为本发明的第一主应力云图。

其中，1-最大纵向轮廓2a；2-最大横向轮廓2b；3-半径为R1的顶部主圆弧；4-半径为R2的上过渡圆弧；5-半径为R3的下过渡圆弧；6-半径为R4的底部主圆弧；7-长度为L的侧边直线段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

请参照图2所示，定义改进前圆形通孔半径为a。异型孔轮廓的最大纵向轮廓为2a，最大横向轮廓为2b，并要求a≤b。圆弧和直线段混合异型孔几何轮廓由六段圆弧和两段直线段构成，组成轮廓的各部分光滑连接(相切)。规定孔的轮廓关于Y轴对称。六段圆弧分别为一个顶部主圆弧R₁(R₁为半径，尺寸3),一个底部主圆弧R₄(R₄为半径，尺寸6)，两个关于Y轴对称的上过渡圆弧R₂(R₂为半径，尺寸4)以及两个关于Y轴对称的下过渡圆弧R₃(R₃为半径，尺寸5)，两个个关于Y轴对称的侧边直线段L(L为直线段长度)。

图2中虚线轮廓为原设计中的通孔(基圆)轮廓，而圆弧和直线段混合异型孔的轮廓由R₁-R₄共4个半径尺寸以及最大纵向轮廓2a、最大横向轮廓2b，共六个设计变量决定。当b>a时，能够在保持径向开孔位置公差不变的前提下，增大对周向开孔位置误差的容忍度。

由于圆弧和直线段混合异型孔的轮廓相对Y轴对称，下面以第一、四象限的四分之一混合异型孔为例，给出本发明的统一数学模型，包含异型孔的圆弧圆心坐标、弧与弧、弧与直线的切点坐标及圆弧半径的取值范围的表达式。

圆弧圆心坐标由式(1)-(4)给出：

主圆弧R₁：

(x₁,y₁)＝(0,a-R₁)(1)

过渡圆弧R₂：

过渡圆弧R₃：

主圆弧R₄：

(x₄,y₄)＝(0,R₄-a)(4)

弧与弧、弧与直线的切点坐标为由(5)-(8)式给出：

主圆弧R₁与过渡圆弧R₂的切点坐标为：

过渡圆弧R₂与直线段的切点坐标为：

过渡圆弧R₃与主圆弧R₄的切点坐标为：

过渡圆弧R₃与直线段的切点坐标为：

圆弧半径的取值范围：

主圆弧R₁：

过渡圆弧R₂：

过渡圆弧R₃：

主圆弧R₄：

第二、三象限的四分之一混合异型孔的轮廓和以上给出的第一、四象限的四分之一混合异型孔的轮廓关于Y轴对称，不再一一赘述。

以圆弧和直线段混合异型孔替换原始设计的圆孔，采用适当的优化算法对异型孔轮廓参数进行优化。某发动机转子轮盘用圆弧和直线段混合异型孔取代圆孔的改进结果表明：采用经尺寸优化的圆弧及直线段混合型异型孔，危险点区域(6点钟及12点钟位置)应力水平大幅下降，孔边应力的分布更加均匀，且最大主应力位置从原6点钟位置移动到5、7点钟位置附近，可有效降低轮盘周向最大主应力。优化后，结构体积略有减少。

图3为原设计圆孔的第一主应力云图，图4为本发明圆弧和直线段混合异型孔的第一主应力云图，对比后可以明显得出本发明由于原设计圆孔。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种圆弧和直线段混合异型孔，其最大纵向轮廓为2a，最大横向轮廓为2b，所述最大纵向轮廓2a小于等于最大横向轮廓2b，其特征在于：

所述六段圆弧和两段直线段光滑相切；

所述圆弧和直线段混合异型孔的轮廓相对Y轴对称；

所述孔中：

顶部主圆弧的圆心坐标为：

(x₁,y₁)＝(0,a-R₁)

两个上过渡圆弧的圆心坐标分别为：

(x_{2}, y_{2}) = (b - R_{2}, \sqrt{{(R_{1} - R_{2})}^{2} - {(b - R_{2})}^{2}} - R_{1} + a)

(- x_{2}, y_{2}) = (R_{2} - b, \sqrt{{(R_{1} - R_{2})}^{2} - {(b - R_{2})}^{2}} - R_{1} + a)

两个下过渡圆弧的圆心坐标分别为：

(x_{3}, y_{3}) = (b - R_{3}, - \sqrt{{(R_{4} - R_{3})}^{2} - {(b - R_{3})}^{2}} + R_{4} - a)

(- x_{3}, y_{3}) = (R_{3} - b, - \sqrt{{(R_{4} - R_{3})}^{2} - {(b - R_{3})}^{2}} + R_{4} - a)

底部主圆弧的圆心坐标为：

(x₄,y₄)＝(0,R₄-a)

顶部主圆弧与两个上过渡圆弧的切点坐标分别为：

(P_{x}, P_{y}) = (R_{1} \frac{b - R_{2}}{R_{1} - R_{2}}, R_{1} \sin θ - (R_{1} - a))

(- P_{x}, P_{y}) = (R_{1} \frac{R_{2} - b}{R_{1} - R_{2}}, R_{1} s i n θ - (R_{1} - a))

两个上过渡圆弧与两段直线段的切点坐标分别为：

(Q_{x}, Q_{y}) = (b, R_{1} \frac{\sqrt{{(R_{1} - R_{2})}^{2} + {(b - R_{2})}^{2}}}{R_{1} - R_{2}} - R_{1} + a)

(- Q_{x}, Q_{y}) = (- b, R_{1} \frac{\sqrt{{(R_{1} - R_{2})}^{2} + {(b - R_{2})}^{2}}}{R_{1} - R_{2}} - R_{1} + a)

两个下过渡圆弧与底部主圆弧的切点坐标分别为：

({QQ}_{x}, {QQ}_{y}) = (- (R_{4} \frac{b - R_{3}}{R_{4} - R_{3}}), - (R_{4} \frac{\sqrt{{(R_{4} - R_{3})}^{2} + {(b - R_{3})}^{2}}}{R_{4} - R_{3}} - (R_{4} - a)))

(- {QQ}_{x}, {QQ}_{y}) = (R_{4} \frac{b - R_{3}}{R_{4} - R_{3}}, - (R_{4} \frac{\sqrt{{(R_{4} - R_{3})}^{2} + {(b - R_{3})}^{2}}}{R_{4} - R_{3}} - (R_{4} - a)))

两个下过渡圆弧与两段直线段的切点坐标分别为：

({PP}_{x}, {PP}_{y}) = (b, - (\sqrt{{(R_{4} - R_{3})}^{2} - {(b - R_{3})}^{2}} - (R_{4} - a)))

(- {PP}_{x}, {PP}_{y}) = (- b, - (\sqrt{{(R_{4} - R_{3})}^{2} - {(b - R_{3})}^{2}} - (R_{4} - a)))

式中，

R_{1} > \frac{a^{2} - 2 {bR}_{2 \min} + b^{2}}{2 (a - R_{2 \min})},

\frac{1}{2} D_{\min} < R_{2} < a,

\frac{1}{2} D_{\min} < R_{3} < a,

R_{4} > \frac{a^{2} - 2 {bR}_{4 m i n} + b^{2}}{2 (a - R_{4 \min})} .