盘-盘螺栓连接结构模态频率分析

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1、第38卷第5期航空发动机VoI-38No．52012年10月Aeroengine0et．2012盘一盘螺栓连接结构模态频率分析赵丹，艾延廷，翟学，白彦(沈阳航空航天大学航空航天工程学院，沈阳110136)摘要：基于ANSYSWorkbench软件，采用层单元法和多点约束技术，模拟了盘一盘螺栓连接结构的螺栓预紧力，对其进行了模态分析，并与试验结果进行了比较。研究表明：采用层单元法模拟螺栓预紧力的模态结果与试验结果吻合较好，为在预紧力作用下螺栓连接结构模态频率的有限元计算提供了1种有效方法。关键词：螺栓预

2、紧力；层单元；螺栓连接；多点约束；模态分析AnalysisofModalFrequenciesforBoltedPlate-plateStructureZHAODan，AIYan—dng，ZHAIXue，BAIYan(FacultyofAerospaceEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，赵丹(1987)，男，在读硕士研究生，研China)究方向为航空发动机强度、振动及噪声。Abstract：BasedonANSYSWorkbe

3、nchsoftware，theboltpreloadofboltedplate-plate基金顷目：航008B504逸赶助收稿日期：2011-12-27structurewassimulatedbycellelementsandmulti-pointconstrainttechnology。Themodalanalysiswasconductedandcomparedwithexperimentalresults．Theresultsshowthatthemodalresultsagreewellwi

4、ththeexperiments．Itprovidesanefectivefiniteelementmethodtocalculateboltedjointstructurewithpreloads．Keywords：boltpreload；cellelement；boltedjoint；multiplepointconstraint；modalanalysis为具有当量曲率半径和当量弹性模量的球体与刚性0引言光滑平面的接触。机械结合面实质上是由2个粗糙表螺栓连接是航空发动机多级压气机和涡轮中常见面组

5、成的，为便于研究，将其简化成光滑表面与粗糙的连接方式。连接螺栓以布置灵活、连接刚性好、质量弹性表面相接触。轻、结构简单和装拆方便等优点而被广泛地采用。随由文献【7】的研究可知，2个实际表面的接触可以着发动机转子及其整机结构设计水平的提高，在设计用1组沿实际接触表面均匀分布的弹簧束来表征，每初期即进行转子和整机的有限元计算圈。在1个装配体个弹簧的当量刚度为k，其大小在表面特征参数已知中，常常有多处采用螺栓连接结构，如某型航空发动机时，只与螺栓预紧力有关，即转子2级盘一盘连接结构中有50多个螺栓，如果对每

6、k=cA(F)(1)个螺栓都进行有限元建模分析，则需要很多计算机资式中：C为由表面特征参数确定的常数。源，且非常耗时，甚至导致计算机无法完成运算。螺栓连接结构接触面间的法向接触刚度为本文基于ANSYSWorkbench软件，通过在有限元K：k·A(2)模型接触面间加入实体单元层，改变其弹性模量来模拟式中：为接触表面积。不同的螺栓预紧力下的法向接触刚度，最后通过有限元不考虑螺栓连接结构间的接触面积随螺栓预紧方法对盘一盘螺栓连接结构进行模态频率计算分析昀。力的增大而减小这一影响因素，则1计算理论A=A。(

7、3)根据赫兹理论，2个弹性球体的接触，可以转换式中：A。为宏观接触面积，即几何面积。可以用1个56航空发动机第38卷单元层来等效代替螺栓连接结构的接触刚度的变化，行模态分析。如图1所示。表1刚性简化模型前4阶固有频率在ANSYSWorkbench软件中，采用层单元法模拟螺栓预紧力只需在模型中直接进行单元层的建图1层单元模拟法向接触刚度立。为了简化计算，本文使用UG6．0软件进行建模，把弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程2个盘与中间的垫片设置度的指标，指材料在外力作用下产生单位弹性变形所成一体，直

8、接在法兰与盘之需要的应力，反映了材料抗弹性变形能力的指标，相间建立J享度为O．1mm的实图3层单元结构当于普通弹簧中的刚度。因此运用厚度h、弹性模量体，来作为有限元分析的层单元。层单元结构如图3E的单元层来模拟螺栓连接结构接触面间的法向接所示。触刚度。将建好的有限元模型导入ANSYSWorkbench软2盘一盘螺栓连接结构的有限元计算件中进行模态分析。选择模态分析模块，并对接触面进行绑定设置。采用8节点单元划分网格，单元数为2．1螺栓连接结构模型5245