螺栓预紧力对转子动力学特性影响的研究_付鹏哲.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n螺栓预紧力对转子动力学特性影响的研究付鹏哲1,刘仕运1,刘 玉2(1.中国航发沈阳发动机研究所,沈阳 1 1 0 0 1 5;2.沈阳航空航天大学,沈阳 1 1 0 1 3 6)摘 要:螺栓连接被广泛应用于航空发动机转子的连接结构中,螺栓预紧力对转子动力学特性的影响是螺栓预紧力设计需考虑的要素之一。为获取螺栓预紧力对转子动力学特性的影响规律,建立了螺栓连接结构有限元模型,通过A n s y sW o r k b e n c h软件对螺栓连接结构进行仿真计算,对安装边螺栓连接结构施加不同百分比的螺栓预紧力,计算螺栓连接安装边拉伸刚度的变化情况;利用层单元法建立能够模拟不同螺栓连接刚度的转子模型,分析了螺栓预紧力对临界转速的影响;搭建了转子动力学实验装置,对转子临界转速仿结果进行验证。结果表明:在其他工况条件相同的情况下,当螺栓预紧力增大时,安装边螺栓连接结构的拉伸刚度呈线性增大,进而引起转子临界转速增大。关键词:螺栓连接;螺栓预紧力;拉伸刚度;临界转速;层单元 中图分类号:V 2 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 0 5-0 4S t u d yo nt h e I n f l u e n c eo fP r e l o a do fB o l t o nR o t o rD y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c sF uP e n g-z h e1,L i uS h i-y u n1,L i uY u2(1.A E C CS h e n y a n gE n g i n eR e s e a r c hI n s t i t u t e,S h e n y a n g1 1 0 0 1 5,C h i n a,2.S h e n y a n gA e r o s p a c eU n i v e r s i t y,S h e n y a n g1 1 0 1 3 6,C h i n a)A b s t r a c t:B o l t c o n n e c t i o n i sw i d e l yu s e di nt h ec o n n e c t i o ns t r u c t u r eo fa e r o-e n g i n er o t o r s.T h eb o l tp r e l o a dh a sac e r t a i ne f f e c to nt h er o t o rd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s.Af i n i t ee l e m e n tm o d e lo fb o l tc o n n e c t i o ns t r u c t u r e i se s t a b l i s h e d.T h es i m u l a t i o no ft h eb o l tc o n n e c t i o ns t r u c t u r ei sc o n d u c t e db yA n s y sW o r k b e n c h.T h ed i f f e r e n ts e t so f p r e l o a d s a r e a p p l i e d t o t h eb o l t c o n n e c t i o ns t r u c t u r e,a n d t h ev a r i a t i o no f t h e t e n s i l e s t i f f n e s s a r e c a l c u l a t-e d.T h e l a y e r e l e m e n tm e t h o d i su s e d t oe s t a b l i s ha r o t o rm o d e lw h i c hc o u l ds i m u l a t ed i f f e r e n t b o l t s t i f f n e s s,a n dt h e i n f l u e n c eo f p r e l o a do n t h e c r i t i c a l s p e e dw a s a n a l y z e d.Ar o t o r d y n a m i c s e x p e r i m e n t a l d e v i c e i sb u i l t t ov e r i f yt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h e r o t o r c r i t i c a l s p e e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s,w h e n t h eb o l tp r e l o a d i n c r e a s e s,t h e t e n s i l es t i f f n e s so f t h es t r u c t u r e i n c r e a s e s l i n e a r l y,a n dt h ec r i t i c a l s p e e do f t h er o t o r i n-c r e a s e s.K e yw o r d s:B o l t e df l a n g e dc o n n e c t i o n;B o l tp r e l o a d;T e n s i l es t i f f n e s s;C r i t i c a l s p e e d;L a y e re l e m e n t基金项目:基础性军工科研院所稳定支持项目:面向性能保持的结构变化预测及控制技术研究作者简介:付鹏哲,女,3 7岁,高级工程师,硕士,研究方向:航空动力机械。转子是航空发动机的重要构件之一,其动力学行为对航空发动机整机动力学特性具有显著影响1。由于现代航空发动大推重比的设计理念,目前大推力航空发动机低压转子系统多为柔性转子结构,即航空发动机工作转速高于其临界转速。发动机在达到工作转速过程中就会经过临界转速,此时转子系统将会发生剧烈振动,进而对发动机的安全可靠运行带来不利的影响。螺栓连接具有结构简单、拆装方便,可重复利用性好等优点,因此其被广泛应用于航空发动机的转子连接结构中。螺栓结构的非连续性将对结构刚度特征产生影响,进而影响转子系统的临界转速产生影响。连接结构最简单的模拟方法是忽略连接结构的刚度特性,直接把被连接件两部分在连接部位刚化处理2。这种方法虽然建模简单但只能应用于一些连接结构刚度较大模型的近似简化中。对于绝大多数螺栓连接结构,其刚度相对于整体结构有较大的损失,这对结构整体的动力学特性具有一定影响3。螺栓连接的预紧力直接影响螺栓连接的接触面状态,进而对接触刚度产生影响,进而改变转子系统的动力学特性。W a n g4研究了在螺栓数量对法兰连接结构的刚度特性的影响,指出当螺栓数量较少时,连接结构刚度损失较大。H u a n g5基于理论模型分析了螺栓连接结构的刚度,并与实验结果和有限元结果进行了对比,分析了结构参数对螺栓连接性能的影响。L i u6建立了带有止口螺栓连接结构的三维实体有限元模型并计算了其刚度特性,指出随着横向载荷的增大,法兰结构弯曲刚度会发生突然减小,在刚度突变时刻的前后法兰弯曲刚度皆为定值。V a n-L o n g7对不带有止口的螺栓连接结构进行了试验研究,在横向循环载荷下作用下得到了带有迟滞效应的位移-载荷曲线。郭文新8使用AN S Y S软件研究了高压转子的螺栓连接结合面的非线性刚度特征,并进行了实验验证。F i r r o n e9研究了航空发动机涡轮盘之间的螺栓连接结构接触面的滑移,指出局部的微小滑移导致了迟滞现象的产生。以上学者主要是侧重于螺栓连接结构非线性接触问题的计算和分析,研究螺栓预紧力大小对结构刚度特征的影响,针对螺栓连接预紧状态对转子系统动力学特性的影响研究还鲜有研究。基于此,本文通过A N S Y S对螺栓连接结构进行仿真计算,并通过施加不同的预紧力,计算螺栓连接安装边刚度的变化情况,获得螺栓预紧力对螺栓连接结构刚度5DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0382 0 2 3年第5期的影响,然后通过数值仿真研究了螺栓预紧状态对转子临界转速的影响,并进行了实验验证。本文研究工作对航空发动机转子系统动力学分析和设计具有一定参考价值。1 螺栓预紧状态对连接刚度影响航空发动机转子结构的不同部件通常由螺栓进行连接固定,本文以带有外止口的三层安装边为研究对象。本文主要研究预紧力对安装边拉伸刚度的影响,为了提高计算效率,将安装边模型进行简化,整周安装边模型具有1 2个M 8螺栓,建立单个螺栓安装边扇区的有限元模型如图1所示。建立模型时忽略螺栓和螺母的螺纹,将二者简化为圆柱体。在有限元计算过程中,首先设定螺母螺帽与安装边之间、安装边之间和止口处设定为有摩擦接触,其中摩擦系数为0.2,止口处过盈量为0.0 5 6 mm,并采用增强拉格朗日法对其进行计算。有限元计算模型中螺栓的材料为结构钢,设置弹性模量为2 1 0MP a,泊松比为0.2 3。图1 机匣安装边有限元模型 图2 安装边边界条件在螺栓装配时,通常通过扭矩扳手控制施加在螺栓上的拧紧力矩,而在进行有限元计算之中,需要将拧紧力矩转换为沿螺栓轴向的螺栓预紧力。根据机械手册要求螺栓预紧力扭矩为8 9 Nm,螺栓预紧力范围为6 6 6 6 N7 5 0 0 N,本模型预紧力选取7 0 0 0 N,再选取不同百分比的螺栓预紧力为不同边界条件进行有限元分析。对扇区模型一端施加固定全约束,另一端施加3 2 5 0 N轴向拉力,如图2所示。经过有限元计算得到三层外止口安装边轴向位移云图,如图3所示。为了更直观的体现出模型在外载荷方向上的位移,同时降低由于安装边倾斜导致端面产生弯曲变形对轴向位移造成的影响,本文提取安装边内侧边界线的轴向形变结果进行分析。通过提取结果的均值计算出不同螺栓预紧力下的安装边拉伸刚度,绘制螺栓预紧力对安装边拉伸刚度影响曲线,如图4所示。图3 安装边轴向位移云图图4 螺栓预紧力对安装边拉伸刚度影响曲线从图4中可以看出,在给定的螺栓预紧力范围内,随着螺栓预紧力的增大,安装边拉伸刚度呈线性增大,这是因为随着预紧力的增大,安装边与螺栓之间接触压力增大,两层安装边之间的接触压力也增大,这样会使被连接件分离开所需要的轴向外载荷增大,使得机匣局部拉伸刚度增大,从而使得机匣的整体拉伸刚度增大。2 螺栓连接刚度对转子动力学特性影响数值仿真螺栓预紧力作用下的接触问题具有复杂的非线性特征,而在转子动力学模态分析中无法考虑非线性因素。本文参考薄层单元法1 0,通过调整安装边中间层的弹性模量(如图5所示),实现模拟不同螺栓预紧力作用下的连接刚度。图5 层单元模拟螺栓连接刚度特征按照不同螺栓预紧力百分比,设置安装边中间薄层单元的弹性模量,如表1所示。表1 螺栓预紧力与安装边拉伸刚度数据表螺栓预紧力百分比层单元弹性模量/(MP a)2 0%1 3 7.7 74 0%1 4 5.2 36 0%1 5 2.6 58 0%1 6 0.4 71 0 0%1 6 9.8 5 本文中研究的转子模型各部分通过1 2个M 8螺栓连接在一起,安装边结构特征与图1一致。基于对安装边中间层单元弹性模量调整的方法建立转子模型如图6所示,在模型两端凸肩位置建立轴承单元,模拟轴承的径向刚度,径向刚度值设置为61 05N/m。图6 转子有限元模型对转子模型开展考虑旋转效应的模态分析。得到转子一阶弯曲模态振型如图7所示。从图中可以看出,转子结构的变形以轴弯曲为主,安装边一侧处于受压状态,一侧出于受拉状态。因此,安装边的刚度将对转子的临界转速将会产生影响。图7 转子的一阶弯曲振型当螺栓具有1 0 0%额定预紧力时(7 0 0 0 N),转子结构的临界转速坎贝尔图如图8所示。从中可以看出在0-4 0 0 0 r/m i n转速范围内,一倍工作频率激励线与一阶弯曲模态频率线具有一个交点,此交点对应的转速为转子的临界转速。由于转子的盘结构在转子的中间部位,转子一阶弯曲模态中不会产生陀螺力矩。因此其正进动频率线和反进动频率线是重合的。6内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n图8 转子临界转速坎贝尔图 调整安装边中间层单元弹性模量,模拟螺栓的不同预紧力状态,得到不同螺栓预紧力百分比时转子的临界转速如图9所示。可以看出,随着螺栓预紧力增加,转子临界转速有增长的趋势。图9 预紧力对转子临界转速影响3 螺栓预紧力对转子动力学特性响应实验为了验证螺栓连接预紧力对转子临界转速的影响,本文建立的转子实验系统如图1 0所示,主要包括实验转子支承系统,伺服电机及其安装台架,传感器、数据采集仪和计算机等设备。图1 0 转子实验系统实物图振动信号经传感器拾取并进行数据转换后,输入到LM S多功能数据采集系统中,在相应的数据分析模块进行进一步的处理,然后与LM S测试分析软件进行数据通信,在测试分析软件中进行测试信号显示和分析。实验研究建立的信号采集与分析系统如图1 1所示。图1 1 信号采集与分析系统实验系统的测点布置方案如图1 2所示。实验中采用位移传感器、加速度传感器两种类型的传感器拾取实验转子系统的振动信号。其中,位移传感器采用非接触式的电涡流传感器,测试位置位于旋转轮盘一侧约2 mm处,拾取转子在水平方向(X)和竖直方向(Y)上的振动信号,其编号分别为5#、6#。在转子两端支点位置的轴承座上,分别设置2个加速度传感器,用于测量支座在水平和轴向两个方向上的振动加速度响应,其编号分别为1#、2#、3#和4#。螺栓数量为1 2,采用均匀分布方式,螺栓为M J 8螺栓。图1 2 转子实验台测点布置方案调整全部螺栓的预紧大小,设置2 0%、4 0%、6 0%、8 0%和1 0 0%的最大螺栓预紧力对转子进行动力学响应测试,在LM S中测试分析软件进行数据通信,在测试分析软件中进行测试转子临界转速和不平衡响应幅值,采用转速跟踪模式从5 0 0-3 0 0 0 r/m i n进行测试,获得临界转速和响应幅值。基于不同螺栓预紧力对转子动力学响应的理论研究,调整全部螺栓预紧力的大小,对转子进行动力学响应测试,获取转子的临界转速和不平衡响应幅值,得到各种工况下的瀑布图如图1 3所示。图1 3 不同螺栓预紧力下转子响应瀑布图提取瀑布图中不同工况下的转子临界转速和不平衡响应幅值数据,整理如表2所示。绘制不同预紧力下转子临界转速变化图和不平衡响应幅值图,如图1 4、1 5所示。分析实验数据可知,在其他工况条件相同的情况下,只改72 0 2 3年第5期变全部螺栓预紧力的大小,会对转子的临界转速和不平衡响应幅值产生影响,螺栓预紧力越大时,螺栓的紧固程度增强,螺栓连接结构转子的刚性增强,会使转子的临界转速增大,同时也会使转子的不平衡响应幅值增大。表2 不同螺栓预紧力转子动力学响应数据螺栓预紧力百分比转子临界转速/(r/m i n)不平衡响应幅值/mm2 0%2 3 9 1.5 10.2 34 0%2 4 0 2.2 40.2 46 0%2 4 2 4.1 50.2 58 0%2 4 5 0.7 70.2 71 0 0%2 4 8 2.4 80.2 8图1 4 不同预紧力下转子临界转速变化图图1 5 不同预紧力下不平衡响应幅值变化图4 结论通过有限元仿真和试验验证得到以下结论:(1)在给定的螺栓预紧力的范围内,随着螺栓预紧力的增大,安装边拉伸刚度近乎呈线性增大。(2)在其他工况条件相同的情况下,改变不同螺栓的预紧力状态,当螺栓预紧力越大时,螺栓的紧固程度增强,螺栓连接结构转子的刚性呈线性增大,会使转子的临界转速呈非线性增大,同时也会使转子的不平衡响应幅值略微增大。参考文献:1 钟一谔,何衍宗,王正,等.转子动力学M.北京:清华大学出版社,1 9 8 7.2H a r u y a m aS,N u r h a d i y a n t oD,C h o i r o n MA,e ta l.I n f l u e n c eo f s u r f a c e r o u g h n e s so n l e a k a g eo f n e wm e t a lg a s k e tJ.I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP r e s s u r eV e s s e l s&P i p i n g,2 0 1 3,1 1 1-1 1 2(6):1 4 6-1 5 4.3 赵丹,艾延廷,翟学等.法向接触刚度对螺栓连接结构振动模态的影响研究J.航空发动机,2 0 1 2,3 8(0 3):5 4-5 7.4W a n gC.,Z h a n gD.,Z h uX.e ta l.S t u d y O nt h eS t i f f n e s sL o s sa n dt h e D y n a m i cI n f l u e n c e O n R o t o rS y s t e mo f t h eB o l t e dF l a n g e J o i n tMAm e r i c a nS o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s,2 0 1 4:V 7 A-V 3 1 A5H u a n gF.,Z h a n gD.,H o n gW.e t a l.M e c h a n i s ma n dC a l c u l a t i o nT h e o r yo fP r y i n gF o r c e f o rF l e x i b l eF l a n g eC o n n e c t i o nJ.J o u r n a lo fC o n s t r u c t i o n a lS t e e lR e-s e a r c h,2 0 1 7,1 3 2:9 7-1 0 76S h u g u oL.,Y a n h o n g M.,D a y iZ.e ta l.S t u d i e sO nD y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c so ft h eJ o i n ti nt h eA e r o-E n-g i n eR o t o rS y s t e mJ.M e c h a n i c a lS y s t e m sa n dS i g n a lP r o c e s s i n g,2 0 1 2,2 9:1 2 0-1 3 67V a n-L o n gH.,J e a n-P i e r r eJ.,J e a n-F r a n o i sD.B e h a v-i o u ro fB o l t e dF l a n g eJ o i n t s i nT u b u l a rS t r u c t u r e sU n-d e rM o n o t o n i c,R e p e a t e da n dF a t i g u eL o a d i n g s I:E x-p e r i m e n t a lT e s t sJ.J o u r n a lo fC o n s t r u c t i o n a lS t e e lR e s e a r c h,2 0 1 3,8 5:1-1 1.8 郭文新,么宇辉,李韵等.螺栓连接对高压转子结合面弯曲刚度的影响J.噪声与振动控制,2 0 1 8,3 8(0 1):5 2-5 7.9F i r r o n eC.M.,B a t t i a t oG.,E p u r e a n uB.I.M o d e l l i n gt h eM i c r o s l i pi nt h eF l a n g eJ o i n ta n di t sE f f e c to nt h eD y n a m i c so f a M u l t i-S t a g e B l a d e d D i s k A s s e m b l yN,2 0 1 61 0 姚星宇,王建军,翟学.航空发动机螺栓连接薄层单元建模方法J.北京航空航天大学学报,2 0 1 5,4 1(1 2):2 2 6 9-2 2 7 9.8