带插销的螺栓法兰接头弯曲刚度的建模方法及转子振动特性的分析

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Modelling method for bending stiffness of bolted flange joint with spigot and analysis of rotor vibration characteristics

　　

余莉|王思吉|关海涛|梁宏|沈庆阳|李全坤|卢钊|马瑞贤|谢忠良

摘要

为了满足下一代航空发动机在概念设计阶段对螺栓连接转子系统快速迭代的需求，螺栓连接的弯曲刚度模型需要具备高精度和易于求解的特点。基于板和壳理论，建立了一种考虑所有参数的螺栓法兰连接的弯曲刚度分析模型，并分析了预载及其不均匀性对弯曲刚度的影响。通过与有限元接触模型的对比研究，发现该模型的最大计算误差约为6.83%，且计算一次弯曲刚度所需的时间从7分钟缩短到了5e-5秒，从而验证了该模型的准确性和效率。随后，提出了一种使用虚拟轴段来表征螺栓连接的等效方法，并开发了包含所提出的弯曲刚度模型的螺栓转子系统动力学模型。通过数值计算和实验研究相结合的方法，分析了预载及其不均匀性对螺栓转子系统振动特性的影响。结果表明，增加预载可以缩小螺栓转子系统的非同步响应区间，并降低螺栓连接的应变能量占比；随着预载不均匀性的减小，次临界自激振动的振幅也会降低。