CN108875176A - 一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，涉及航空发动机技术领域。该发明以航空发动机装配中的薄壁件螺栓连接为研究对象，建立了螺栓连接的数值分析模型，针对传统方法设计与装配的螺栓连接刚度较大、载荷保持性较差的问题，对螺栓连接件表面的拓扑形状进行设计，可达到降低连接件刚度、提升装配载荷保持性能的目的。本发明能够针对用于航空发动机的螺栓装配连接结构，通过对螺栓连接件结合面形状的设计，达到降低连接刚度、提升装配载荷保持性能的效果。本发明为工程技术人员设计航空螺栓连接件提供了一定的技术支持，能够提升螺栓装配载荷保持性能和可靠性，保障螺栓连接性能满足工程需求。

Description

一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，涉及一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法。

背景技术

螺栓连接具有结构简单、性能可靠、装拆方便、制造容易等特点，已成为各种机电系统装配中应用最普遍、最广泛的连接方式，例如一架现代飞机使用上百万个各类紧固件，而被称为“工业之花”的航空发动机，螺栓连接已经成为其必不可少的装配连接方式，航空发动机的装配性能直接影响了飞机的飞行性能、可靠性与经济性。目前，评价航空发动机的装配性能好坏的主要指标有性能保持性、可靠性、密封性等。良好的载荷保持性能可增加其服役时间，即性能保持性；同时能提升可靠性与密封性，这是防止发动机泄漏，避免事故的有效途径。因此，航空工程技术人员在设计制造航空发动机的过程中，必须考虑螺栓连接对其性能的影响。

研究表明，螺栓连接件刚度会极大地影响连接的载荷保持性。在螺栓连接结构承受外部载荷或螺栓发生松弛时，如连接刚度过大，则会导致在较小的螺栓伸长量/松弛量下丧失较多的预紧载荷，最终造成密封性能下降、连接失效、螺栓松脱等严重后果。因此，对螺栓连接的刚度进行合理控制可以有效地保障和提升连接性能及航空发动机性能。目前，在工程上进行螺栓载荷保持的做法有以下几种：增大螺栓连接的预紧力，选用双螺母、弹簧垫圈、或尼龙螺母等。其中，增大螺栓连接预紧力即增大了连接件的压紧力，此方法对螺栓及连接件强度要求更高，且承受外部载荷的能力将有所下降；而使用双螺母、弹簧垫圈、尼龙螺母将会增加连接结构质量或不稳定性，与航空发动机装配的轻量化与高可靠性的要求相悖。因此，有必要提出一种方法，能够直接通过改变连接件的刚度达到提升载荷保持性能的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，该设计方法在螺栓连接件的设计过程中引入该方法，可实现在原有设计的性能基础上，降低螺栓连接刚度，解决航空发动机的装配载荷保持问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立数值分析模型；

在初步的航空发动机螺栓装配设计中，根据设计得到的螺栓连接结构的工程模型，建立有待进一步优化设计的螺栓连接数值分析模型；

步骤2：确定设计参数

设计参数包括设计域、目标函数、设计变量以及设计要求；设计域根据工程需求确定，所期望目标为连接刚度的优化；目标函数为螺栓连接结构的连接刚度，设计变量为结合面的几何形状，设计要求根据工程需求设定；

步骤3：分析求解，判断设计结果

对步骤1建立的数值模型进行分析求解，提取计算结果中的连接刚度数据，并判断目标函数是否达到设计要求：若达到要求则结束设计过程，当前模型的形状即作为设计结果输出；若未达到要求则进行步骤4，对设计变量进行修改；

步骤4：修改设计变量

根据步骤3中的分析结果，建立结合面几何形状与连接刚度的映射关系，并进行修改；

步骤5：更新数值分析模型

根据步骤4获得的修改结果更新数值分析模型，并返回步骤3继续求解；其中步骤3、步骤4、步骤5为设计过程中的一次完整迭代循环；迭代循环至设计结果满足设计要求后停止，由步骤3输出设计结果，优化设计流程结束。

本发明进一步的改进在于：

步骤1的具体方法如下：

在初步的航空发动机螺栓装配设计过程后，确定螺栓连接的结构与尺寸、螺栓与连接件的材料属性以及螺栓连接的预紧力参数，根据这些参数建立发动机装配连接数值分析模型；在连接件结合面以及螺纹副接触区域进行网格加密处理，并生成接触单元以模拟接触情形；

数值分析模型包括建立几何模型、设置材料属性和单元参数、网格划分、施加约束与载荷。

步骤2的具体方法如下：

用连接件数值模型计算所得的等效连接刚度表示，如下式：

其中，k表示连接刚度；F表示螺栓预紧力；u表示被连接件受力时的形变；表示被连接件在螺栓头部承载区域节点的平均位移；表示被连接件在螺母承载区域节点的平均位移；其含义为用螺栓预紧力F及连接件在螺栓头部与螺母承载区域节点的平均位移计算出连接刚度k，其中平均位移计算公式如下：

其中，i表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域节点的平均位移；n_i表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域的节点数量；u_i,j表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域的单个节点位移；即平均位移由两区域内节点的总位移与区域内的节点数计算所得；

形状设计的设计变量是螺栓连接件结合面设计域内的几何形状，在离散的数值模型中，设计域表面的几何形状由域内表面节点坐标N(x,y)表示，在进行设计时对节点的坐标分量进行修改；

设计要求即期望的连接刚度k₀，将要求设为具体数值或比例值；

具体数值为经过优化设计得k≤k₀；比例值为经过优化设计连接刚度下降的比例：

其中，a表示设计要求的刚度下降比例。

步骤4的具体方法如下：

结合面间隙是以螺栓孔为中心的圆台状间隙，其形状由圆台高度与圆台底径两参数确定，在迭代设计过程中，其连接刚度与结合面间隙尺寸有关，其间隙底径越大、间隙高度越高则连接刚度越小；设计域内节点坐标修改量根据结合面间隙形状确定，因此节点坐标修改量δ_yj如下公式确定：

式中，y_j为此次迭代设计修改前节点的轴向坐标，y'_j为修改后节点的间隙方向坐标，x_j为节点的径向坐标，h为修改前圆台状间隙的最大高度，δ_h为此次迭代时间隙的最大高度修改量，d_k为修改前圆台状间隙的底径，d_h为螺栓孔径，δ_d为此次迭代时间隙的底径修改量；

选取固定的间隙底径，仅对间隙高度进行设计，即δ_d＝0，因此节点坐标修改量的公式如下：

根据上式确定的坐标修改量，则一次迭代设计过程中各节点坐标通过以下公式进行修改：

式中是第k步迭代时第j点坐标。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明是针对螺栓连接件的表面形状设计方法，通过对连接件结合面形状的细微修改实现了对连接件连接刚度的精确控制。分析与设计均通过数值模型完成，其方法普适性较好，能够模拟不同的工程参数和工作条件，适应不同的工程需求完成设计；本发明为工程技术人员在进行螺栓连接设计时提供了优化连接性能的有效方法。本发明的设计结果对螺栓连接件表面的改动比较微小，不影响螺栓连接的整体结构与尺寸，保护了连接结构的完整性和其他连接性能。

附图说明

图1为航空发动机涡轮轴连接示意图；

图2为本发明提出的设计方法流程图；

图3为单螺栓连接结构及接触间隙示意图；

图4为本发明设计示例建立的单螺栓轴对称几何模型；

图5(a)为本发明设计示例建立的单螺栓轴对称数值模型图；

图5(b)为本发明设计示例建立的单螺栓的3/4立体示意图；

图6为本发明设计示例形状设计前后的预紧力-形变曲线对比；

图7为本发明设计示例形状设计前后的预紧力-刚度曲线对比；

图8为本发明设计示例形状设计前后的轮廓形状对比；

图9为本发明设计示例形状设计前后加外载后的剩余载荷对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-2，本发明提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立数值分析模型

在初步的航空发动机螺栓装配设计过程后，可确定螺栓连接的结构与尺寸，螺栓与连接件的材料属性，螺栓连接的预紧力等工程参数，根据这些参数可建立发动机装配连接数值分析模型；数值分析模型包括建立几何模型、设置材料属性和单元参数、网格划分、施加约束与载荷等；为提升分析精度，在连接件结合面、螺纹副等接触区域进行网格加密处理，并生成接触单元以模拟接触情形。

如图1所示，由于航空发动机止口配合面结构复杂，螺栓连接件数量众多，因此在这里将法兰螺栓连接简化为单螺栓进行分析和设计，最终将形状设计应用于配合面上。对单螺栓连接结构而言，因其结构的轴对称性，可将模型简化为单个径向截面，即仅用径向坐标和轴向坐标进行建模和分析，因此模型中节点用坐标N(x,y)表示，在多螺栓连接结构中，可用柱坐标N(r,z)表示其径向与轴向坐标。

步骤2：确定设计参数

考虑螺栓装配的工程需求，应确定设计参数，包括设计域、目标函数、设计变量、以及设计要求；本发明中，设计域根据工程需求确定，所期望目标为连接刚度的优化，因此形状设计的目标函数为螺栓连接结构的连接刚度，用连接件数值模型计算所得的等效连接刚度表示，如下式：

其含义为用螺栓预紧力F及连接件在螺栓头部与螺母承载区域节点的平均位移计算出连接刚度k，其中平均位移计算公式如下：

即平均位移由两区域内节点的总位移与区域内的节点数计算所得。等效连接刚度计算公式将螺栓连接件视作弹簧，利用节点平均位移计算其受到预紧力后的等效刚度。

形状设计的设计变量是螺栓连接件结合面设计域内的几何形状，在离散的数值模型中，设计域表面的几何形状可由域内表面节点坐标N(x,y)表示，在进行设计时对节点的坐标分量进行修改。

设计要求即期望的连接刚度k₀，可将要求设为具体数值——即经过优化设计得k≤k₀，或比例值——即经过优化设计连接刚度下降一定比例

步骤3：分析求解，判断设计结果

对初步建立或更新后的数值模型进行分析求解，根据分析结果计算连接刚度数据，并判断目标函数是否达到设计要求：若达到要求则结束设计过程，当前模型的形状即作为设计结果输出；若未达到要求则进行步骤4，对设计变量进行修改；

步骤4：修改设计变量

在设计过程中，该步骤将完成一次对设计变量的修改。在本发明中，结合面间隙是以螺栓孔为中心的圆台状间隙，因此其形状可由圆台高度与圆台底径两参数确定，在迭代设计过程中，其连接刚度与结合面间隙尺寸有关，其间隙底径越大、间隙高度越高则连接刚度越小。设计域内节点坐标修改量根据结合面间隙形状确定，因此节点坐标修改量δ_yj如下公式确定：

式中，y_j为此次迭代设计修改前节点的轴向坐标，y'_j为修改后节点的间隙方向坐标，x_j为节点的径向坐标，h为修改前圆台状间隙的最大高度，δ_h为此次迭代时间隙的最大高度修改量，d_k为修改前圆台状间隙的底径，d_h为螺栓孔径，δ_d为此次迭代时间隙的底径修改量。

从上式可以看出，这是一个双变量的优化设计，在迭代设计过程中，为得到符合设计要求的结果，则需对两个变量同时进行优化，这无疑大大增加了迭代设计的分析时间，严重影响计算效率。经过数值分析的尝试得知，圆台状间隙的高度与底径相比，间隙高度是影响连接刚度较大的敏感变量，同时间隙高度受连接件形状尺寸限制较小，因此为提升设计效率、便于计算，我们在设计时选取固定的间隙底径，仅对间隙高度进行设计，即δ_d＝0，因此节点坐标修改量的公式如下：

根据上式确定的坐标修改量，则一次迭代设计过程中各节点坐标通过以下公式进行修改：

式中是第k步迭代时第j点坐标。

步骤5：更新数值分析模型

根据步骤4获得的修改结果更新数值分析模型，并返回步骤3分析求解。

其中步骤3、步骤4、步骤5为设计过程中的一次完整迭代循环。迭代循环至设计结果满足设计要求后停止，由步骤3输出设计结果，优化设计流程结束。

实施例：

步骤1：建立数值分析模型

在初步的螺栓装配设计过程后，可确定螺栓连接的结构与尺寸，螺栓与连接件的材料属性，螺栓连接的预紧力等工程参数，根据这些参数可建立螺栓装配连接数值分析模型。本例中针对单螺栓连接进行优化设计，其工程预紧力为40000N。其结构示意图见图3，其尺寸与材料属性见表1，由于单螺栓连接结构的轴对称性，可将模型简化为单个径向截面，即采用二维轴对称方法进行建模，在分析求解和优化设计时更加简便，建立的数值模型如图4和图5所示。

表1连接尺寸及材料属性

步骤2：确定设计参数

将设计域设为结合表面以螺栓孔为中心直径100mm的圆，优化设计的目标函数为连接刚度k，此时需先进行步骤3的求解得出原有设计中其连接刚度k₀，再确定设计要求。

步骤3：分析求解，判断设计结果

对数值模型分析，得到结果。原有设计中，该模型的连接刚度为1735227.8N/mm，则可根据此值确定设计要求，本例中将期望的连接刚度设为600000N/mm，则此时连接件形状未达到设计要求，进行步骤4。

步骤4：修改设计变量

在该步骤中对设计变量进行修改，本例中，将间隙底径d_k设为100mm，将该次迭代将间隙高度修改量δ_h设为0.001mm，利用修改公式对间隙范围内的节点坐标进行修改。

步骤5：更新数值分析模型

根据步骤4获得的修改结果更新数值分析模型，并返回步骤3分析求解。

经过若干次循环后，优化设计流程结束，则可知分析计算得结构的连接刚度已降至600000N/mm以下，查看此时连接刚度为597927.32N/mm，符合设计标准，主动设计完成。图6为优化设计前后的预紧力-形变曲线对比，图7为优化设计前后的预紧力-刚度曲线对比，可知优化设计后的连接刚度可随残余预紧力变化而变化，且连接件形变更大，能够在螺栓发生松弛时保持更多预紧力。图8为本例中结合面形状优化的结果，图9是本例中形状设计前后加外载时的剩余载荷对比。可以看到在经过形状设计后，同样的拉伸外载下能够保持更多的残余预紧力。设计时结合面形状变化较小且形状简单易于加工，仅利用形状优化达到了降低连接刚度、提升载荷保持性的作用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立数值分析模型；

在初步的航空发动机螺栓装配设计中，根据设计得到的螺栓连接结构的工程模型，建立有待进一步优化设计的螺栓连接数值分析模型；

步骤2：确定设计参数

设计参数包括设计域、目标函数、设计变量以及设计要求；设计域根据工程需求确定，所期望目标为连接刚度的优化；目标函数为螺栓连接结构的连接刚度，设计变量为结合面的几何形状，设计要求根据工程需求设定；

步骤3：分析求解，判断设计结果

对步骤1建立的数值模型进行分析求解，提取计算结果中的连接刚度数据，并判断目标函数是否达到设计要求：若达到要求则结束设计过程，当前模型的形状即作为设计结果输出；若未达到要求则进行步骤4，对设计变量进行修改；

步骤4：修改设计变量

根据步骤3中的分析结果，建立结合面几何形状与连接刚度的映射关系，并进行修改；

步骤5：更新数值分析模型

根据步骤4获得的修改结果更新数值分析模型，并返回步骤3继续求解；其中步骤3、步骤4、步骤5为设计过程中的一次完整迭代循环；迭代循环至设计结果满足设计要求后停止，由步骤3输出设计结果，优化设计流程结束。

2.根据权利要求1所述的提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：

在初步的航空发动机螺栓装配设计过程后，确定螺栓连接的结构与尺寸、螺栓与连接件的材料属性以及螺栓连接的预紧力参数，根据这些参数建立发动机装配连接数值分析模型；在连接件结合面以及螺纹副接触区域进行网格加密处理，并生成接触单元以模拟接触情形。

3.根据权利要求2所述的提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，数值分析模型包括建立几何模型、设置材料属性和单元参数、网格划分、施加约束与载荷。

4.根据权利要求1所述的提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：

用连接件数值模型计算所得的等效连接刚度表示，如下式：

其中，k表示连接刚度；F表示螺栓预紧力；u表示被连接件受力时的形变；表示被连接件在螺栓头部承载区域节点的平均位移；表示被连接件在螺母承载区域节点的平均位移；其含义为用螺栓预紧力F及连接件在螺栓头部与螺母承载区域节点的平均位移计算出连接刚度k，其中平均位移计算公式如下：

其中，i表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域节点的平均位移；n_i表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域的节点数量；u_i,j表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域的单个节点位移；即平均位移由两区域内节点的总位移与区域内的节点数计算所得；

形状设计的设计变量是螺栓连接件结合面设计域内的几何形状，在离散的数值模型中，设计域表面的几何形状由域内表面节点坐标N(x,y)表示，在进行设计时对节点的坐标分量进行修改；

设计要求即期望的连接刚度k₀，将要求设为具体数值或比例值；

具体数值为经过优化设计得k≤k₀；比例值为经过优化设计连接刚度下降的比例：

其中，a表示设计要求的刚度下降比例。

5.根据权利要求1所述的提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，步骤4的具体方法如下：

结合面间隙是以螺栓孔为中心的圆台状间隙，其形状由圆台高度与圆台底径两参数确定，在迭代设计过程中，其连接刚度与结合面间隙尺寸有关，其间隙底径越大、间隙高度越高则连接刚度越小；设计域内节点坐标修改量根据结合面间隙形状确定，因此节点坐标修改量δ_yj如下公式确定：

式中，y_j为此次迭代设计修改前节点的轴向坐标，y'_j为修改后节点的间隙方向坐标，x_j为节点的径向坐标，h为修改前圆台状间隙的最大高度，δ_h为此次迭代时间隙的最大高度修改量，d_k为修改前圆台状间隙的底径，d_h为螺栓孔径，δ_d为此次迭代时间隙的底径修改量；

选取固定的间隙底径，仅对间隙高度进行设计，即δ_d＝0，因此节点坐标修改量的公式如下：

根据上式确定的坐标修改量，则一次迭代设计过程中各节点坐标通过以下公式进行修改：

式中是第k步迭代时第j点坐标。