【摘 要】
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航空发动机高压转子系统主要通过栓接方式装配而成,其动力学性能直接决定航空发动机整体的服役性能和可靠性,而栓接结合部刚度、附加不平衡量等对转子系统动力学性能影响显著。高压转子系统在结构-工艺-载荷综合作用下,结合部刚度、阻尼等具有典型的非线性特征;在预紧力偏差、结合面制造误差综合影响下,结合部形成附加不平衡量且具有典型的不确定性特征。当前航发转子动力学分析模型往往没有充分考虑结合部非线性、不确定性特
【基金项目】
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航空发动机及燃气轮机重大专项基础研究项目（“两机”专项）“面向服役性能的装配原理及关键装配技术基础”（2017-Ⅶ-0010）中的专题一“典型装配结合面宏微观机械物理特性形成/演变机理及仿真模型研究”（2017-Ⅶ-0010-0105）； 辽宁省科学技术计划重大项目（2015106016）:重大装备多学科协同设计及应用；
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航空发动机高压转子系统主要通过栓接方式装配而成,其动力学性能直接决定航空发动机整体的服役性能和可靠性,而栓接结合部刚度、附加不平衡量等对转子系统动力学性能影响显著。高压转子系统在结构-工艺-载荷综合作用下,结合部刚度、阻尼等具有典型的非线性特征;在预紧力偏差、结合面制造误差综合影响下,结合部形成附加不平衡量且具有典型的不确定性特征。当前航发转子动力学分析模型往往没有充分考虑结合部非线性、不确定性特征的影响,导致装配试车过程中频繁发生振动超差等现象,影响航空发动机转子装配质量和效率。针对上述问题,本文开展航空发动机转子结合部力学特性表征、考虑结合部特性的动态特性分析、装配工艺优化方法研究。主要研究工作如下:（1）航发转子栓接结合部非线性力学特性测试与分析:针对多螺栓结合部动力学参数难以准确表征的问题,以航发高压转子典型栓接结构为研究对象,结合谐波平衡法建立结合部切向动力学参数表征模型;开展结合部迟滞回线测试实验,发现栓接结合部切向刚度随着装配参数、外部激励等因素的影响呈现非线性的变化,并且当螺栓拧紧力矩达到一定数值,动力学参数趋于稳定性特征;基于结合部力学模型和迟滞回线测试实验准确表征结合部在粘滞和微滑阶段的切向刚度模型,为航发转子连接结构动力学特性分析提供关键数据支撑。（2）多结合部转子连接结构动力学建模及动态特性研究:针对结合部力学特性和转子动力学特性难以高效高精度关联分析的问题,基于集中参数法和有限单元法进行分层次建模,建立了考虑多结合部力学特性的转子连接结构动力学模型;探明了结合部动力学参数、不平衡量分布大小等因素对转子系统稳态响应的影响规律,发现了法兰预紧力衰退或松脱对转子系统低阶固有频率影响较小,但会发生局部高阶模态跳跃的现象;通过数值仿真分析验证了多结合部转子连接结构动力学降阶模型的准确性和高效性,为转子系统的动态设计和装配工艺优化提供理论基础。（3）不确定性激励下的航发转子动态特性研究:针对零件质量、加工和装配质量等因素导致不平衡量激励的不确定性,进而影响动力学稳态响应的问题,研究了结合部不确定性参数的建模方法,进而建立了含区间不确定性参数的转子动力学模型;结合区间理论和有限差分法获取转子系统稳态响应的动态边界。基于模拟高压转子实测数据,分析转子系统在不确定性激励下的动态响应规律,为航发高压转子系统的动态性能设计提供参考。（4）面向动态性能的航发转子装配工艺优化方法研究:针对转子系统装配过程中初始不平衡量、同轴度和振动响应之间存在复杂的耦合关系,单一目标工艺优化方法无法同时满足装配精度和动态性能的问题,揭示了各级转子装配系统的同轴度和不平衡量误差传递累计机理,建立转子系统的同轴度和不平衡量的预测模型;结合转子连接结构动力学模型获得不同装配状态下的振动响应;提出一种综合考虑同轴度、不平衡量和振动响应的多目标优化的装配工艺方法。结果表明:基于动态性能的航发转子系统多目标优化装配工艺方法为更优的装配策略,在保证高装配精度的同时,降低转子系统关键节点的振动幅值,实现整个转子系统的低水平振动。
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