几何偏差下螺栓预紧力和残余扭矩形成机理的研究

发布时间：2020-06-13 10:00

【摘要】：航空发动机中复杂的转子结构广泛使用螺栓进行紧固,螺栓节点的预应力和预变形是保证整机稳定性和可靠性的关键输入参数,其主要通过拧紧螺母转化为螺栓预拉伸实现。由于螺栓节点是一个复杂的多接触系统,接触面的加工误差将不可避免地扩大预紧力离散,若缺乏相应机理研究,不仅会导致整机震动超差,也使得发动机的减重优化因缺乏指导而难以推进。此外,螺栓拧紧完成后残余扭矩的形成机理至今缺乏理论依据,导致紧固性能预测存在缺陷,留下严重安全隐患。针对上述问题,本文将几何偏差引入螺栓预紧力和残余扭矩形成的分析之中,得出了给定几何公差内两者的偏差范围,并补充分析了残余扭矩在服役工况下的变化规律。首先,本文针对拧紧加载过程中的扭矩-预紧力关系,通过非平行端面、螺纹螺距和牙型角等几何偏差对接触应力分布的影响,分析了各接触面摩擦半径和分解扭矩变化,得出了几何偏差对预紧力偏差的影响机理。为模拟几何偏差下螺栓节点的拧紧过程,建立了参数化有限元模型,通过三维真实螺纹拧紧仿真,分析了几何偏差下螺栓的拧紧过程,并通过拧紧实验验证了所建模型对预紧力仿真的精度。在上述工作的基础上,本文继续研究了加载撤销后螺栓残余扭矩的形成机理,通过节点分解扭矩和扭转刚度的变化规律,分析了几何偏差对螺栓残余扭矩的影响机理。然后,通过有限元仿真得出了几何偏差和非几何偏差参数对残余扭矩的影响规律,并通过拧紧实验证了模型对残余扭矩仿真的精度。为进一步研究螺栓残余扭矩在服役工况下的变化,本文提出了受剪工况下转子法兰非均匀变形的假设,分析了螺栓残余扭矩变化与法兰变形的关系,并通过有限元仿真得出了螺栓位置、螺栓个数和法兰几何参数对螺栓残余扭矩变化的影响。在单轴拉伸实验中,通过盘面变形测试验证了仿真模型的计算精度。本文将接触面的几何偏差引入了螺栓预紧力和残余扭矩形成机理的分析之中,完善了对装配工艺误差机理的认知,为针对几何偏差的影响主动设计工艺以提高装配精度提供了指导。本文的研究过程也涉及螺栓节点内应力和接触状态的变化规律,也为后续在几何偏差下研究螺栓组装配工艺和螺栓服役性能退化的工作提供了理论依据。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V263;TH131.3

【参考文献】