【摘 要】
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航空发动机在服役期间极易遭遇冰雹、鸟和金属外物等撞击,冲击载荷在向发动机后端传递时经过了大量的螺栓安装边,受到连接部位的接触、摩擦和预紧力等非线性因素影响,导致结构动力学响应呈现出较强的非线性特征,对发动机的结构性能监测和部件的抗冲击设计带来较大的困难。因此,进行螺栓连接结构冲击载荷传递特性的研究十分必要。本文采用试验与数值模拟相结合的方法,以航空发动机上的螺栓连接结构为研究对象,开展螺栓连接动力
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航空发动机在服役期间极易遭遇冰雹、鸟和金属外物等撞击,冲击载荷在向发动机后端传递时经过了大量的螺栓安装边,受到连接部位的接触、摩擦和预紧力等非线性因素影响,导致结构动力学响应呈现出较强的非线性特征,对发动机的结构性能监测和部件的抗冲击设计带来较大的困难。因此,进行螺栓连接结构冲击载荷传递特性的研究十分必要。本文采用试验与数值模拟相结合的方法,以航空发动机上的螺栓连接结构为研究对象,开展螺栓连接动力学建模、冲击载荷传递特性、发动机鸟撞载荷传递规律等研究工作,论文的主要研究内容与结论如下:(1)建立了典型螺栓连接的实体螺栓模型、刚性连接模型和薄层单元有限元模型,结合模态试验结果进行了对比分析。三种有限元模型的振型与试验的振型基本一致。在剪切型螺栓连接结构中,薄层单元模型计算的准确性介于刚性连接模型和实体单元模型之间,与试验固有频率的相对误差小于8%;在拉弯型螺栓连接结构中,薄层单元模型的结果最准确,与试验固有频率的相对误差小于1.5%。薄层单元模型能较好地模拟螺栓连接结构在不同拧紧力矩和不同结合面粗糙度条件下的动力学特性。(2)搭建了螺栓连接结构冲击载荷传递试验台,利用空气炮装置发射钛合金圆柱弹、钢球和冰球,开展高速冲击试验,获得冲击响应曲线。结果表明:在冰球冲击能量低于45J的冲击条件下,剪切型螺栓连接结构的载荷和位移响应具有明显的迟滞特性;减小拧紧力矩、结合面越光滑、加大冰球冲击能量会使载荷传递率α下降。建立的薄层单元模型计算的载荷响应峰值误差不超过9%,仿真和试验得到的加速度波形相似,较好地模拟了结合面在冲击载荷下的动力学行为。(3)开展了考虑螺栓连接特性的发动机整机鸟撞载荷传递研究,其中螺栓连接部位分别采用刚性连接和薄层单元建模方法。结果表明:与直接刚性连接的方式相比,螺栓连接部件间插入薄层会显著改变冲击载荷传递路径上关键部件的受载情况,使得结构变形吸收的内能较小,最终传递到安装节上的载荷偏小,能够较好地模拟螺栓连接对整机结构刚性的削弱作用,提高了仿真预测模型的准确度。
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