CN116542072B - 基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机转子动力特性及整机振动技术领域，具体涉及一种基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法：提取航空发动机中转子连接结构的结构参数；建立法兰‑螺栓连接结构力学模型；建立螺栓内部的螺栓预紧力与力学特性之间的数学关系；建立装配力矩与力学特性的数学关系；根据工程实践中测得连接结构不同周向位置螺栓松脱力矩数值，绘制出螺栓装配力矩周向分布图；对装配力矩数据库中各项数值进行统计和分析，建立法兰‑螺栓连接结构工作过程中止口界面的滑移情况与螺栓装配力矩的统计规律，从而对转子系统工作状态进行评估。

Description

基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法
技术领域
本发明属于航空发动机转子动力特性及整机振动技术领域，具体涉及一种基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法。
背景技术
现代航空发动机转子结构系统中普遍设计有大量连接结构，其工作过程中承受较高的机械、热、气动等载荷，工作环境恶劣。随着航空发动机逐渐向轻质、高效、大功率、长寿命发展，其连接结构设计不稳健引起的整机振动问题越来越突出。统计数据表明，整机振动超限及其连接结构相关的故障占到系统故障的50%-60%。我国转子连接结构的设计不稳健主要表现在复杂载荷作用下连接结构对转子系统振动特性的影响机理认识不清，并且缺乏复杂转子系统稳健设计方法。
法兰-螺栓连接结构广泛应用于航空发动机转子结构系统中。并且为了满足复杂载荷环境下的设计要求，一般在鼓筒一侧设计有止口界面，称为“带有止口界面的法兰-螺栓连接结构”。在实际工作过程中，连接界面可能出现滑移损伤、刚度损失乃至转子动力特性衰退等问题，对航空发动机整机安全高效运转产生严重威胁。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法，以实现对法兰-螺栓连接结构界面损伤情况的有效监测和定量评估，从而对航空发动机转子的工作状态进行合理描述和准确评估，为航空发动机转子连接结构的设计提供数据指导。
本发明是这样实现的，提供一种基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法，所述转子连接结构为带有止口界面的法兰-螺栓连接结构，所述变形分析方法包括如下步骤：
S1）：提取航空发动机中目标法兰-螺栓连接结构的结构参数，包括法兰-螺栓连接结构的几何参数、装配预紧载荷以及工作过程中所受到的工作载荷；
S2）：基于S1）中提取的法兰-螺栓连接结构的结构参数，考虑止口界面滑移，建立法兰-螺栓连接结构力学模型：
（1）
其中，和/>分别为法兰-螺栓连接结构的径向变形和角向变形，/>和/>分别为法兰-螺栓连接结构在边界上受到的径向力合力和弯曲力矩合力，刚度矩阵中/>、以及/>为各自由度对应的刚度函数，即法兰-螺栓连接结构力学特性，由于存在止口界面滑移，法兰-螺栓连接结构刚度矩阵中的各元素均是径向变形/>、角向变形/>以及装配参数/>的函数，装配参数/>包括但不限于螺栓预紧力/>、止口位置过盈量/>及同心度/>；
S3）：基于S2）建立的力学模型，根据法兰-螺栓连接结构法兰边与螺栓之间载荷传递关系，建立螺栓内部的螺栓预紧力与法兰-螺栓连接结构力学特性之间的数学关系：
（2）
其中，为法兰-螺栓连接结构的刚度矩阵，/>表示法兰-螺栓连接结构上给定的周向位置，/>为连接结构刚度关于螺栓预紧力/>和周向位置/>的函数；
S4）：基于螺栓预紧力与装配力矩的关系，建立装配力矩与S2）中得到的法兰-螺栓连接结构力学特性的数学关系：
（3）
（4）
其中，为装配力矩，/>为螺栓参数函数，/>包括但不限于螺纹有效直径及螺纹摩擦系数、螺母支撑面等效直径及螺母支撑面摩擦系数、螺纹升角；
S5）：使用工程实践中测得的法兰-螺栓连接结构中不同周向位置的螺栓装配力矩数值，形成螺栓装配力矩数据库，绘制出螺栓装配力矩周向分布图；
S6）：对装配力矩数据库中分散度、平均值、最大值及对应周向位置进行统计和分析，建立法兰-螺栓连接结构工作过程中止口界面的滑移情况与螺栓装配力矩的统计规律：
（5）
其中，用法兰-螺栓连接结构的变形来定量评估止口界面滑移情况，为装配力矩的统计数据，从而对转子系统工作状态进行评估。
优选的，所述S1）中，根据法兰-螺栓连接结构的加工图纸和工艺流程，确定法兰-螺栓连接结构的几何参数和装配预紧载荷，根据航空发动机整机的工作状态，估算出法兰-螺栓连接结构工作过程中所受到的各个工作载荷及大小。
进一步优选，所述S1）中，法兰-螺栓连接结构的几何参数包括鼓筒直径、鼓筒厚度、法兰直径、法兰厚度、止口边长度、止口边厚度；装配预紧载荷包括螺栓直径、拧紧力矩及止口过盈量；工作载荷包括轴向载荷、弯曲力矩以及温度载荷。
进一步优选，所述S2）中，针对航空发动机转子系统中带有止口界面的法兰-螺栓连接结构，基于其所处工作载荷环境，考虑连接界面接触状态的变化情况，得到止口界面的滑移情况和连接结构的变形情况。
进一步优选，所述S4）中，针对给定螺栓参数函数，得到螺栓拧紧力矩、松脱力矩相对于螺栓预紧力的数学关系：
（6）
其中，T in 表示拧紧力矩，T out 表示松脱力矩，进而得到装配力矩与法兰-螺栓连接结构力学特性的数学关系。
进一步优选，所述S5）中，测量和统计目标法兰-螺栓连接结构所有螺栓的拧紧力矩和松脱力矩，在装配和分解过程中，分别统计装配力矩数值及其对应周向位置，绘成得到螺栓装配力矩周向分布图。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明使用螺栓装配力矩分布的均匀程度来评估转子系统健康状态，定量评估工作过程中转子系统工作状态。并且，本发明通过充分挖掘螺栓装配力矩中蕴含的力学信息，采用简单易懂的方式，简洁明了地反应了复杂转子系统的工作状态，避免了转子系统工作状态难以准确检测和合理描述的技术问题。最后，使用本发明提出的技术方法，在航空发动机型号研制设计阶段，通过统计分析关注连接结构的装配力矩数据，建立相应数据库，对于评估连接结构稳健性以及指导转子结构系统优化设计具有重要工程意义。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为带有止口界面的法兰-螺栓连接结构示意图；
图3（a）为带有止口界面的法兰-螺栓连接结构受载过程变形示意图；
图3（b）为带有止口界面的法兰-螺栓连接结构卸载过程变形示意图；
图4为法兰-螺栓连接结构加载全过程螺栓预紧力变化曲线；
图5为螺栓装配力矩周向分布图；
图6为某型发动机不同法兰-螺栓连接结构螺栓装配力矩分布图。
具体实施方式
为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
图1为本发明提供的基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法流程图，下面参考图2、图3、图4、图5和图6对本申请做进一步详细说明。
航空发动机转子系统中大量设计有带有止口界面的法兰-螺栓连接结构，具有周期对称的结构特点。经轴对称模型、非对称载荷受力分析，可将其处理为图2所示的简化模型。
如3（a）所示，在离心、温度、轴向拉力、装配载荷等载荷综合作用下，主要是轴向拉力作用，圆柱面接触区域发生一定程度的滑移，带动法兰边发生弹性弯曲变形，轴向拉力最终与圆柱面摩擦力平衡。
如图3（b）所示，当卸掉载荷之后，圆柱面接触区域在法兰边弹性作用下克服摩擦力变形回复，直至法兰边弹性恢复力与摩擦力相平衡。由于摩擦力的作用，法兰边的变形并不能完全回复。法兰边弹性恢复力与圆柱面处的摩擦力相平衡之后未回复的变形，即残余变形。
在如上所述过程中，螺栓预紧力变化可以用图4进行定性表述。对于给定的连接螺栓，其螺栓预紧力与装配力矩（拧紧力矩或松脱力矩）之间存在着固定的数学关系，可以通过理论计算分析和试验校核的方式进行确定。基于螺栓预紧力与装配力矩的关系，便可以得到螺栓装配力矩与法兰-螺栓连接结构卸载后残余变形的数学关系，从而可以对连接结构以及转子系统的工作状态进行评估。
如图5所示，在转子分解过程中统计所关注连接结构的螺栓松脱力矩，结合装配工艺给定的拧紧力矩（在工艺要求范围内可以认为每个螺栓数值相等），便可以绘制出螺栓装配力矩的周向分布图。通过松脱力矩相对于拧紧力矩的数值变化，以及松脱力矩的周向分布情况，可以清晰明了的展示出连接螺栓整体状态及不同周向位置的差异性，进而能够对连接结构的界面滑移情况及转子系统的工作状态给出直观评价。通过计算松脱力矩数值的平均值、最大值和分散度，从而对连接结构稳健性给出定量评价。
如图6所示，为某型发动机某次试车后高压转子系统中几处带有止口界面的法兰-螺栓连接结构，其连接螺栓装配力矩的周向分布图。通过本申请中提出的螺栓装配力矩周向分布图，可以很清晰地看到各处连接结构的工作状态，进而得到转子工作状态以及可能的故障发生源。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法，其特征在于，所述转子连接结构为带有止口界面的法兰-螺栓连接结构，所述变形分析方法包括如下步骤：
S1）：提取航空发动机中目标法兰-螺栓连接结构的结构参数，包括法兰-螺栓连接结构的几何参数、装配预紧载荷以及工作过程中所受到的工作载荷；
S2）：基于S1）中提取的法兰-螺栓连接结构的结构参数，考虑止口界面滑移，建立法兰-螺栓连接结构力学模型：
（1）
其中，和/>分别为法兰-螺栓连接结构的径向变形和角向变形，/>和/>分别为法兰-螺栓连接结构在边界上受到的径向力合力和弯曲力矩合力，刚度矩阵中/>、/>以及为各自由度对应的刚度函数，即法兰-螺栓连接结构力学特性，由于存在止口界面滑移，法兰-螺栓连接结构刚度矩阵中的各元素均是径向变形/>、角向变形/>以及装配参数/>的函数，装配参数/>包括但不限于螺栓预紧力/>、止口位置过盈量/>及同心度/>；
S3）：基于S2）建立的力学模型，根据法兰-螺栓连接结构法兰边与螺栓之间载荷传递关系，建立螺栓内部的螺栓预紧力与法兰-螺栓连接结构力学特性之间的数学关系：
（2）
其中，为法兰-螺栓连接结构的刚度矩阵，/>表示法兰-螺栓连接结构上给定的周向位置，/>为连接结构刚度关于螺栓预紧力/>和周向位置/>的函数；
S4）：基于螺栓预紧力与装配力矩的关系，建立装配力矩与S2）中得到的法兰-螺栓连接结构力学特性的数学关系：
（3）
（4）
其中，为装配力矩，/>为螺栓参数函数，/>包括但不限于螺纹有效直径及螺纹摩擦系数、螺母支撑面等效直径及螺母支撑面摩擦系数、螺纹升角；
S5）：使用工程实践中测得的法兰-螺栓连接结构中不同周向位置的螺栓装配力矩数值，形成螺栓装配力矩数据库，绘制出螺栓装配力矩周向分布图；
S6）：对装配力矩数据库中分散度、平均值、最大值及对应周向位置进行统计和分析，建立法兰-螺栓连接结构工作过程中止口界面的滑移情况与螺栓装配力矩的统计规律：
（5）
其中，用法兰-螺栓连接结构的变形来定量评估止口界面滑移情况，为装配力矩的统计数据，从而对转子系统工作状态进行评估。
2.根据权利要求1所述的基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法，其特征在于，所述S1）中，根据法兰-螺栓连接结构的加工图纸和工艺流程，确定法兰-螺栓连接结构的几何参数和装配预紧载荷，根据航空发动机整机的工作状态，估算出法兰-螺栓连接结构工作过程中所受到的各个工作载荷及大小。
3.根据权利要求1所述的基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法，其特征在于，所述S1）中，法兰-螺栓连接结构的几何参数包括鼓筒直径、鼓筒厚度、法兰直径、法兰厚度、止口边长度、止口边厚度；装配预紧载荷包括螺栓直径、拧紧力矩及止口过盈量；工作载荷包括轴向载荷、弯曲力矩以及温度载荷。
4.根据权利要求1所述的基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法，其特征在于，所述S2）中，针对航空发动机转子系统中带有止口界面的法兰-螺栓连接结构，基于其所处工作载荷环境，考虑连接界面接触状态的变化情况，得到止口界面的滑移情况和连接结构的变形情况。
5.根据权利要求1所述的基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法，其特征在于，所述S4）中，针对给定螺栓参数函数，得到螺栓拧紧力矩、松脱力矩相对于螺栓预紧力的数学关系：
（6）
其中，T in 表示拧紧力矩，T out 表示松脱力矩，进而得到装配力矩与法兰-螺栓连接结构力学特性的数学关系。
6.根据权利要求1所述的基于螺栓装配力矩变化的转子连接结构变形分析方法，其特征在于，所述S5）中，测量和统计目标法兰-螺栓连接结构所有螺栓的拧紧力矩和松脱力矩，在装配和分解过程中，分别统计装配力矩数值及其对应周向位置，绘成得到螺栓装配力矩周向分布图。
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