主轴轴承作为航空发动机的核心支撑部件,既要满足长寿命和高可靠性需求,还要不断适应持续发展的高速、重载、高温、乏油、断油等极限工况及变速、变载等复杂循环工况。三点接触球轴承作为航空发动机用典型主轴轴承类型,在复杂苛刻工况环境下经常发生疲劳、点蚀、磨损、甚至套圈和保持架断裂等失效,而且多种失效模式并存且相互转换,严重制约轴承延寿和可靠性增长。本文主要从轴承服役工况和结构特点、典型失效机制、结构参数优化、表面抗损伤设计及试验评价五方面,开展三点接触球轴承设计分析与验证研究,发展完善航空发动机主轴轴承设计体系,对长寿命主轴轴承的结构参数优化、抗损伤设计及寿命考核具有重要的指导意义。对航空发动机用三点接触球轴承的典型服役工况、核心结构特点和典型失效模式进行系统地梳理,提出了轴承典型循环工况参数、供油方式、结构特点和工作状态特征,分析了服役条件下失效模式的宏观及微观形貌;在此基础上,建立了轴承主承载区的滑滚接触分析模型,研究了主承载区瞬时温升、应力分布和表层材料剪切塑性变形等力-热耦合响应,分析了轴承表面疲劳和磨损等典型失效产生的原因及演变过程。结果表明:在良好的润滑状态下,航空发动机主轴轴承失效遵循传统的规律,主要是由最大剪切应力引起的次表层起源疲劳;但当轴承转速及载荷等发生突变、断油、乏油时,轴承润滑状态恶化,摩擦系数升高,使主承载区接触界面的应力和温度急剧升高,表层材料发生塑性变形累积,导致轴承接触表面磨损失效。因此主轴轴承的设计在考虑动态力载和润滑等服役性能的同时,还需覆盖轴承抗疲劳和抗磨损性能评价分析与优化设计方法。针对航空发动机主轴轴承高速性能及微区接触特征,采用轴承拟动力学方法、热分析方法和有限元分析方法等,分析了轴承典型服役工况下内外圈最大接触应力、滚动体的“漂移”、法向剩余间隙等三点接触性能,保持架运动特性以及轴承的润滑状态、摩擦功耗及温度,系统阐明了三点接触球轴承在典型服役工况下的力载和运动行为、热响应、润滑状态等性能指标变化规律,为轴承参数优化和抗损伤设计提供了输入。研究表明:在起飞、爬升和巡航等典型服役工况下,轴承三点接触行为、高速性能、润滑状态等呈现出工况随动特征;而且在高速工况下,内圈和保持架会引发强度和稳定性问题。因此,开展工况包络的轴承结构参数优化及抗损伤设计,是最大限度提升三点接触球轴承性能及寿命的必要前提和基础。三点接触球轴承主承载面和引导面的疲劳和磨损失效问题,与套圈/保持架典型接触表面状态特征密切相关。本文考虑了制造工艺对表面状态和材料性能影响,采用粗糙表面数值模拟方法和膜基体系接触分析方法,分析了粗糙表面形貌、残余应力分布和表面涂层等对接触微区承载性能的影响,获取了粗糙接触界面的最优残余应力梯度和涂层梯度结构参数,为表面抗损伤设计提供了量化参数指标输入。研究表明:粗糙表面产生的局部应力集中,会导致次表层最优残余应力增大,且最优残余应力极值位置趋于表面;针对低摩擦系数的点接触状态,主承载表面梯度涂层的优选弹性模量沿深度方向逐渐减小,而在高摩擦系数下,其优选弹性模量先增大后减小;对于线接触下引导面涂层,其优选弹性模量先增大后减小。建立了包含六个设计参数的三点接触球轴承长寿命优化设计模型,面向典型服役工况条件,分析了轴承结构参数对寿命影响的主次顺序,确定了循环工况下的最优设计参数组合。开发了轴承性能分析及参数优化的设计软件,为轴承优化设计与分析提供了系统平台和快速优化方案。利用双滚子接触疲劳试验机,对不同表面形貌、残余应力的试验样件进行了滚动接触疲劳性能试验评价,确定了表面粗糙度、表面残余应力的寿命修正系数;基于优化后的轴承结构参数及表面状态,完成了三点接触球轴承试制,利用高速轴承试验器,开展了优化后轴承的模拟工况等效加速寿命考核试验,优化后寿命由440h提高到6560h,验证了优化设计方法的可靠性。