航空发动机螺栓连接薄层单元建模方法

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1、2015年12月北京航空航天大学学报December2O15第4l卷第l2期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVo1．4lNO．12httpffbhxb．buaaedu．cnbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0796航空发动机螺栓连接薄层单元建模方法姚星宇，王建军，翟学(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)摘要：螺栓连接广泛应用于航空发动机结构中，对航空发动机动力特性有重要影

2、响．薄层单元法能够很好地模拟复杂连接结构并保持结构完整性．以薄层单元法为基础，给出航空发动机螺栓连接结构薄层单元法参数化建模原理，研究薄层单元材料参数对螺栓连接刚度的影响规律，并从理论推导出发确定薄层单元相关材料参数，最后将该方法应用到实际结构中，并与精细有限元模型结果对比，从而验证薄层单元法的正确性和应用前景．研究结果表明：薄层单元法能够很好地模拟航空发动机螺栓连接结构；对轴向、弯曲刚度起决定作用的是薄层单元轴向弹性模量，对剪切刚度起决定作用的是薄层单元xy、平面的剪切模量；薄层单元材料参数能够用螺栓连接结构参数示出．关键词：

3、螺栓连接；薄层单元法；航空发动机；连接刚度；有限元中图分类号：V232．7文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)12-2269．11螺栓连接结构具有构造简单、可操作性好等降低问题规模，Ahmadian等¨“利用弹簧、阻尼特点⋯，因此在机械结构系统中被广泛应用，如单元对螺栓连接结构进行建模，并通过试验结果航空发动机机匣和转子的连接．近年来，航空对刚度、阻尼系数进行修正，但是这些方法均将螺发动机不断向高转速、高推重比发展，使得螺栓连栓连接结构面一面接触简化为点一点接触而且忽接结构对整机模型动力特性影响越来越大．从略了

4、剪切刚度，因此运用到复杂机械模型中仍存20世纪80年代开始，美国NASA报告和Sandia在困难，特别是在航空发动机螺栓连接结构建模实验室白皮书就有关于螺栓连接结构的研究中，上述方法均存在局限性．内容．可见，螺栓连接结构建模方法研究一直是结在复杂机械连接结构中，Ahmadian等运构动力学研究领域的热点问题．用薄层单元法¨对AWE—MACE机构中的连接起初，人们将螺栓连接结构接触面设置为刚部位进行动力学建模，将连接结构面一面接触等性连接，忽略所有接触面对整体结构的影响，这样效为厚度很薄的实体单元，并运用优化算法结合处理使得结构刚

5、度增加从而影响其动力学特性．模态试验结果对薄层单元材料参数进行修正；马随着有限元法和接触理论的发展，Liu等建双超等将薄层单元法运用到航空发动机领域，立了三维实体有限元模型，即精细有限元模型．该对静子机匣焊接部位进行动力学建模，并运用模模型保留了结构的几何特征，需使用较小的单元态试验结果对材料参数进行动力学修正．由此可尺寸进行网格划分，从而导致模型自由度数目庞知，薄层单元能够模拟复杂机械中的连接结构并大，因此在航空发动机整机建模中不宜采用．为了保持结构完整性，但薄层单元法还未应用到航空收稿日期：2014．12—17；录用日期：2

6、015-03-13；网络出版时间：2015-05．1310：43网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150513．1043．002．html作者简介：姚星宇(1986一)，男，四川德阳人，博士研究生，yaoxingyu@buaa．edu．cn通讯作者：王建军(1956一)，男，江苏苏州人，教授，wangjianjun@buaa．edu．cn，研究方向为航空发动机强度与振动．引用格式：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fJJ．北京航空航天大学学报，2015，

7、41(12)：2269-2279．YaoXY．Wang3j，ZhaiX．Modelingmethodofboltedjointsofacro-eng"nebasedonthin-layerelement￡j]，JournalofBeringUniversi￡yofAeronauticsandAstronautics，2015，41(J2)：2269-2279(inChinese)．第12期姚星宇，等：航空发动机螺栓连接薄层单元建模方法2271与节点坐标系一致．r∑J一根据虚功原理，单元刚度矩阵为A⋯(4)=DBdVo(一5)AD

8、=式中：Vo为有限元单元的体积．+A集合单元刚度矩阵。和节点力向量F。形成A螺栓连接结构刚度矩阵和节点载荷向量F，得式中：Cll、c22、c33为3个方向的弹性模量；c44、c55、到静力学有限元计算方程：+c为3个平面的剪切模量，弹性矩阵所在坐标系·=F(6)