CN110717293B - 一种转子止口螺栓连接结合面变形规律拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密零件装配技术领域，提供了一种转子止口螺栓连接结合面变形规律拟合方法，步骤如下：结合面变形的规律曲线拟合、止口处径跳对结合面变形影响的规律曲线拟合、因端跳径跳影响变形后的结合面的位姿。本发明针对转子止口螺栓连接形式，提出了一种同时考虑端面跳动和径向跳动形貌的结合面变形规律拟合方法，可以方便的对结合面变形后的位姿进行理论表达，为航空发动机的精密装配提供了理论依据。

Description

一种转子止口螺栓连接结合面变形规律拟合方法

技术领域

本发明涉及一种转子止口螺栓连接结合面变形规律拟合方法，属于精密零件装配技术领域。

背景技术

目前航空发动机、燃气轮机等转子均采用分段制造，然后通过止口配合并由螺栓连接装配组合成转子。转子要求有精确的尺寸精度和形位公差，以降低转子高速运转时发动机的振动。发动机振动多由绕轴线的不平衡质量和转子偏心引起，如何控制转子零件装配精度，进而提升转子整体精度成为研究重点。

衡量转子装配精度的指标常采用同轴度和同心度，同轴度为各级转子轴线偏离旋转中心轴的距离之和，同心度指的是上下两端零件的圆心在垂直于旋转中心轴平面内的距离。在实际装配中，航空发动机转子的装配很难一次装配成功，常常需要反复的拆卸重装，来保证装配后的精度达到指标，这大大浪费了很多时间及人力，因此，弄清发动机转子装配变形的机理，总结出一套结合面变形规律对于装配效率的提升有很大帮助。

长期以来，基于刚性假设的堆叠技术一直受到比较广泛的认可，例如对于一组端跳形貌，可以将其拟合成一个空间斜面，将其位置信息与方向信息存入一个4×4的矩阵中，进行齐次坐标变换，以此来描述各级零件装配后的位姿变化，但是这种堆叠技术并没有考虑变形的影响。

为了解决上述问题，本发明针对端面跳动和径向跳动这两个因素，通过ANSYS多次仿真试验，分别研究了二者对结合面变形的影响，并拟合出了各自的规律曲线，然后同时考虑二者的影响代入齐次坐标变换中，有利于装配后位姿变化的准确表达，为最后获得航空发动机转子装配的同轴度、同心度提供了理论支持。

发明内容

提出了一种转子止口连接结合面变形规律的拟合方法，其主要特征为，分别单独考虑端跳与径跳对结合面变形的影响，以距离为自变量，变形大小为因变量，拟合出规律曲线，最后将二者进行矢量叠加，从而得到结合面综合变形规律。

本发明的技术方案：

一种转子止口螺栓连接结合面变形规律拟合方法，步骤如下：

步骤(1)，结合面变形的规律曲线拟合

首先建立不含任何形貌的理想转子模型，然后导入有限元软件中仿真，因为带形貌的端面可看作一个倾斜的纯理想平面，所以只对纯理想平面进行有限元分析，再根据结合面变形的结果寻找变形规律；又由于该理想转子模型为具有周期对称性的圆环件，只需提取一个对称周期的变形结果即可表示整个结合面的变形；

最后通过对结果的分析得到结合面变形与距离的函数关系，将其拟合成如下规律曲线：

y＝f_D(x)＝q₁x²+q₂x+q₃

其中，f_D(x)为因端跳而产生的变形大小，x为归一化的径向距离；

其中，r为结合面径向半径，r_min为结合面最小径向半径，r_max为结合面最大径向半径；

步骤(2)，止口处径跳对结合面变形影响的规律曲线拟合

将步骤(1)建立的不含任何形貌的理想转子模型导入有限元软件中仿真，用过盈量来代替实际的径跳形貌，并对端面变形结果进行提取(每次仿真中止口一周取相同的过盈量，在一定范围过盈量下进行多组仿真，每组过盈量取不同的值，根据结果则得到变形大小与过盈量的多条规律曲线；将真实径跳形貌每个位置的过盈量分别带入各自所属的规律曲线中，则得到由于真实径跳形貌而产生的结合面变形大小)；同步骤(1)，由于该理想转子模型为具有周期对称性的圆环件，只需提取一个对称周期的变形结果即可表示整个结合面的变形，通过观察结果，得到变形与距离的函数关系，于是得到拟合公式为：

y＝f_J(x)＝p₁x²+p₂x+p₃

其中，f_J(x)为因径跳而产生的变形大小，x为归一化的径向距离：

，其中r为结合面径向半径，r_min为结合面最小径向半径，r_max为结合面最大径向半径；

通过上述范围过盈量下的拟合曲线的系数p₁，p₂，p₃，发现这些系数与过盈量呈明显的线性关系，得到系数p与过盈量t的函数关系：

p_i(t)＝k_it+b_i(i＝1,2,3)

最后，将上述两个函数综合起来，得到不同过盈量下结合面变形大小与距离的函数关系；

步骤(3)，将步骤(1)中得到的理想端面变形f_D(x)拟合成一个空间斜面，得到变换矩阵A，将步骤(2)中得到的径跳对端面产生的变形f_J(x)拟合成另一个空间斜面，再得到变换矩阵B，再对原始的端跳形貌ε_D拟合成一个初始位姿L_i，按照上述得到的两个变换矩阵对初始位姿L_i进行位姿转换，即得到因端跳径跳影响变形后的结合面的位姿：

L_u＝L_i·A·B

其中，L_u为结合面受端跳径跳影响变形后的位姿。

本发明的有益效果：本发明针对转子止口螺栓连接形式，提出了一种同时考虑端面跳动和径向跳动形貌的结合面变形规律拟合方法，可以方便的对结合面变形后的位姿进行理论表达，为航空发动机的精密装配提供了理论依据。

附图说明

图1为转子一级盘与二级盘装配图，(a)为完整件装配示意图，(b)为截取一个周期1/36并切分后的示意图。

图2为本发明的流程图。

图3为模型划分网格后的示意图。

图4为模型载荷及约束添加的示意图。

图5为提取数据结果位置的示意图，分别为0、1、2、3、4、5度这6条径向的直线。

图6为结合面变形规律曲线的拟合，其中黑点代表仿真提取的结果数据，曲线为拟合后的规律曲线。

图7为径跳对结合面变形影响的规律曲线的拟合，其中黑点代表仿真提取的结果数据，曲线或直线为拟合后的规律曲线，(a)为结合面变形与距离的关系，(b)为系数p₁与过盈量t的关系，(c)为系数p₂与过盈量t的关系，(d)为系数p₃与过盈量t的关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点描述的的更加清楚，下面以航空发动机转子一级盘和二级盘的装配为例，如图1所示，进行仿真拟合规律曲线，由于该模型具有周期对称性，故取最小周期1/36进行仿真，以提高仿真效率，节省时间。

参照图2所示流程，对图1模型进行仿真，具体步骤如下：

步骤一，在UG中建立装配体模型，并进行适当切分，以便在ANSYS workbench中用扫掠方法划分出质量较高的网格，如图1所示。

步骤二，模型导入ANSYS workbench进行前处理：

设置材料参数，如下表1所示：

表1

零件	密度(g/mm<sup>3</sup>)	弹性模量(GPa)	泊松比
				轴盘零件(40Cr)	7.9	211	0.3
等效螺栓(30CrMnSi)	7.85	196	0.3

接触设置，两个被连接件间的接触面设为Rough(端面与止口处)，螺栓与被连接件间的接触面设为Bonded。其中止口处过盈量通过对Connections接触设置中的Offset取不同的值来模拟，所取Offset的范围为0.002～0.02mm，间隔为0.002mm，共进行10次仿真。

网格划分，使用扫掠方法Sweep Method，并通过对所有边线进行等分设置，来调整网格大小和数量，以提高网格的质量，划分好的网格如图3所示，网格平均质量为0.92。

约束及载荷设置，如图4所示，将下端零件得到底面A设为固定约束，B、C两个侧面分别施加一个限制其法向位移的位移约束，对螺栓D施加大小为12000N的预紧力。

步骤三，提取仿真结果：0、1、2、3、4、5度6条径向直线的z向位移进行规律曲线拟合，如图5所示，将数据导入matlab中，本例中只取二级盘0度一条径向直线的数据进行拟合演示，其余数据拟合的结果与此类似，端径跳规律分别如图6、7所示：

端面变形规律：由图6可看出结合面z向变形大小与距离呈精确的二次函数关系，故可用下述公式来拟合：

f(x)＝-0.000514x²-0.002871x+-0.0006464

径跳对结合面变形影响的规律：由图7(a)可看出结合面z向变形大小与距离呈精确的二次函数关系，同理可用下述公式来拟合：

f(x)＝-0.001973x²-0.006782x+0.0003934

由图7(b)可看出，系数p与过盈量t呈精确的线性关系，故可用下述公式来拟合：

p₁(t)＝-0.5009t+0.000128

p₂(t)＝-1.02t-0.002756

p₃(t)＝0.3509t-0.0009958

上述规律曲线即为本发明的拟合结果，为了获得最终的结合面位姿，对其进行齐次坐标变换的矩阵拟合即可，本发明内容不包含此项故不再对其拟合。

Claims (1)

1.一种转子止口螺栓连接结合面变形规律拟合方法，其特征在于，步骤如下：

步骤(1)，结合面变形的规律曲线拟合

首先建立不含任何形貌的理想转子模型，然后导入有限元软件中仿真，因为带形貌的端面可看作一个倾斜的纯理想平面，所以只对纯理想平面进行有限元分析，再根据结合面变形的结果寻找变形规律；又由于该理想转子模型为具有周期对称性的圆环件，只需提取一个对称周期的变形结果即可表示整个结合面的变形；

最后通过对结果的分析得到结合面变形与距离的函数关系，将其拟合成如下规律曲线：

y＝f_D(x)＝q₁x²+q₂x+q₃

其中，f_D(x)为因端跳而产生的变形大小，x为归一化的径向距离；

其中，r为结合面径向半径，r_min为结合面最小径向半径，r_max为结合面最大径向半径；

步骤(2)，止口处径跳对结合面变形影响的规律曲线拟合

将步骤(1)建立的不含任何形貌的理想转子模型导入有限元软件中仿真，用过盈量来代替实际的径跳形貌，并对端面变形结果进行提取；同步骤(1)，由于该理想转子模型为具有周期对称性的圆环件，只需提取一个对称周期的变形结果即可表示整个结合面的变形，通过观察结果，得到变形与距离的函数关系，于是得到拟合公式为：

y＝f_J(x)＝p₁x²+p₂x+p₃

其中，f_J(x)为因径跳而产生的变形大小，x为归一化的径向距离：

，其中r为结合面径向半径，r_min为结合面最小径向半径，r_max为结合面最大径向半径；

通过上述过盈量下的拟合曲线的系数p₁，p₂，p₃，发现这些系数与过盈量呈明显的线性关系，得到系数p与过盈量t的函数关系：

p_i(t)＝k_it+b_i(i＝1,2,3)

最后，将上述两个函数综合起来，得到不同过盈量下结合面变形大小与距离的函数关系；

步骤(3)，将步骤(1)中得到的理想端面变形f_D(x)拟合成一个空间斜面，得到变换矩阵A，将步骤(2)中得到的径跳对端面产生的变形f_J(x)拟合成另一个空间斜面，再得到变换矩阵B，再对原始的端跳形貌ε_D拟合成一个初始位姿L_i，按照上述得到的两个变换矩阵对初始位姿L_i进行位姿转换，即得到因端跳径跳影响变形后的结合面的位姿：

L_u＝L_i·A·B

其中，L_u为结合面受端跳径跳影响变形后的位姿。

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