机匣安装边螺栓连接结构抗冲击及螺栓失效机理研究

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在航空发动机非包容事故中经常出现机匣安装边螺栓连接部位发生破坏的情况,机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击能力对机匣的包容能力起着至关重要的作用。本文首次系统地研究了航空发动机机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击问题,通过理论研究、打靶试验和数值仿真等方法揭示了机匣安装边螺栓连接结构的失效模式和失效机理,提出了结构性失效的判定准则,对机匣安装边螺栓连接结构进行了抗冲击优化设计,深入探究了加载角度对螺栓失效的影响机理以及不同加载角度下的螺栓力学响应预测。本文的主要研究内容包括:采用理论分析的方法对机匣安装边螺栓连接结构的结构性失效进行了研究,得出了结构性失效的屈服模式和破坏模式,提出了结构性失效的判定准则。利用火炮对叶片加速,对六种安装边螺栓连接结构分别进行三次打靶试验,试验结果验证了失效判定准则的准确性。建立了叶片撞击机匣安装边螺栓连接结构的数值仿真模型,以打靶试验的撞击情况为仿真对象,利用LS-DYNA进行了有限元仿真,通过比较仿真和试验的叶片撞击过程、结构破坏情况以及机匣侧面变形等方面,验证了数值仿真方法的准确性。利用数值仿真方法,研究了叶片旋转撞击环形的真实机匣安装边螺栓连接结构的过程,仿真得到的结构失效模式与对应的平板机匣安装边螺栓连接结构的失效模式相符,从而说明了本文提出的结构失效判定准则适用于环形的真实机匣模型。利用数值仿真方法对影响结构抗冲击能力的各个因素进行了较为系统的参数研究。对机匣厚度、安装边厚度和螺孔位置的影响进行了仿真研究,不仅进一步验证了结构失效判定准则的准确性,还为机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击设计提出了有效建议。基于NSGA-II算法对机匣安装边结构进行了抗冲击多目标优化设计,通过数值仿真验证了优化设计能够在降低结构重量的同时提升结构的抗冲击能力。从叶片撞击位置、撞击角度、定距套和止口影响因素的研究中可知,单侧安装边受撞击时结构的抗冲击能力最弱,研究结果表明定距套和止口的设计能够很大程度上弥补薄弱位置抗冲击能力不足的问题。采用数值仿真方法对螺栓在不同加载角度下的力学响应进行了研究,研究通过与文献试验数据对比,验证了无螺纹螺栓模型的准确性和数值仿真方法的可行性,得到了能够预测螺栓在不同加载角度下力学响应的有限元模型。深入探究了在剪切主导和拉伸主导下螺栓屈服强度不同的根本原因,揭示了加载角度对螺栓屈服强度的影响机理是接触尖端应力集中随着加载角度增大而加剧。通过半无限缺口理论对螺栓接触尖端周边应力的计算公式进行了推导,通过应力叠加得到螺栓受力时内部的应力分布状态。将理论计算的螺栓内部应力分布与有限元计算的应力分布进行对比,同时从理论上分析了尖端在各加载角度下的接触闭合情况,验证了螺栓屈服强度随加载角度变化的原因是应力集中随加载角度增大而加剧,而应力集中加剧的根本原因是接触尖端的小范围屈服区域的增大。在此基础上提出了能够预测加载角度在45°到90°时螺栓屈服受力的理论模型。基于BP神经网络建立了能够预测螺栓在不同加载角度下力学响应的模型,利用遗传算法优化后的BP神经网络不仅能够准确预测学习样本数据的位移范围内曲线,还能预测位移范围外的曲线延伸趋势。
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