装配工艺参数对止口螺栓连接结构力学特性的影响分析

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.09.007

东北大学学报（自然科学版） ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 1268-1276.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2024.09.007

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装配工艺参数对止口螺栓连接结构力学特性的影响分析

罗忠¹^,²^,³(), 罗永恒¹^,², 熊鑫¹^,²^,³, 吴法勇⁴

^1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 110819
^2.东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室，辽宁沈阳 110819
^3.东北大学佛山研究生创新学院，广东佛山 528312
^4.中国航发沈阳发动机研究所，辽宁沈阳 110015

收稿日期:2023-05-06 出版日期:2024-09-15 发布日期:2024-12-16
通讯作者: 罗忠
作者简介:罗忠（1978-），男，内蒙古集宁人，东北大学教授，博士生导师.
基金资助:
广东省粤佛联合重点基金资助项目(2020B1515120015);国家自然科学基金资助项目(12272089)

Analysis of Influence of Assembly Process Parameters on Mechanical Properties of Bolted Joint with Spigots

Zhong LUO¹^,²^,³(), Yong-heng LUO¹^,², Xin XIONG¹^,²^,³, Fa-yong WU⁴

^1.School of Mechanical Engineering & Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^2.Key Laboratory of Vibration and Control of Aero-Propulsion System，Ministry of Education，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^3.School of Foshan Graduate Innovation，Northeastern University，Foshan 528312，China
^4.AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110015，China. cn

Received:2023-05-06 Online:2024-09-15 Published:2024-12-16
Contact: Zhong LUO
About author:LUO Zhong，E-mail：zhluo@mail.neu.edu.

摘要/Abstract

摘要：

以航空发动机转子系统中止口螺栓连接结构为研究对象，基于单螺栓连接结构分析弯曲刚度的非线性特征，利用ANSYS实体单元建模方法分析连接结构的弯曲刚度，重点讨论了有无止口连接、预紧力、螺栓直径、止口过盈量等装配工艺参数对连接结构弯曲刚度的影响规律，并分析了止口连接结构对转子系统固有特性的影响.研究结果表明：止口连接结构的弯曲刚度呈现分段特性；增大预紧力、螺栓直径以及止口过盈量能提高连接结构弯曲刚度；有无止口连接结构的转子系统前三阶固有频率的相对误差小于2%，止口连接结构能够降低转子系统的最大振动幅值.

关键词: 止口螺栓连接, 弯曲刚度, 接触界面, 装配工艺参数, 振动特性

Abstract:

The bolted joint with spigots of the aero?engine rotor system is taken as the research object， and the non?linear characteristics of the bending stiffness of the single bolted joint are analyzed. The bending stiffness of the bolted joint is analyzed by ANSYS， and the influence laws of such assembly process parameters as the bolted joint with or without a spigot， the initial preload of bolts， bolt diameter， and the interference of the spigot on the joint bending stiffness are discussed. The influence of the spigot on the inherent characteristics of the aero?engine rotor system is analyzed. The results show that the bending stiffness of the joint with the spigot presents piecework characteristics. Increasing preload of bolts， the bolt diameter and the interference of the spigot can improve the bending stiffness of the bolted joint. The relative error of the first three order natural frequency is less than 2% for rotor system with or without spigots. The bolted joint with spigots can reduce the maximum vibration amplitude of the rotor system.

Key words: bolted joint with spigots, bending stiffness, contact interface, assembly process parameter, vibration characteristics

中图分类号:

V 232.7

罗忠, 罗永恒, 熊鑫, 吴法勇. 装配工艺参数对止口螺栓连接结构力学特性的影响分析[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(9): 1268-1276.

Zhong LUO, Yong-heng LUO, Xin XIONG, Fa-yong WU. Analysis of Influence of Assembly Process Parameters on Mechanical Properties of Bolted Joint with Spigots[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(9): 1268-1276.

图/表 26

图1 转子系统连接结构示意图

Fig.1 Connection structure diagram of the rotor system

图2 连接结构变形区域分析

Fig.2 Deformation zone analysis of the connection structure

图3 不同轴向载荷下的力学行为（a）—压力载荷；（b）—拉伸载荷.

Fig.3 Mechanical behavior under different axial loads

图4 简化梁模型

Fig.4 Simplified beam model

图5 连接结构轴向变形

Fig.5 Axial deformation of the connection structure

图6 连接结构有限元模型

Fig.6 Finite element model of the connection structure

表1 单元类型选择

Table 1 Element type selection

特征类型	单元类型
实体建模	Solid 185
接触设置	Targe 170与Conta 174
预紧力设置	Prets 179
过盈配合	CNOF

表2 连接结构材料参数

Table 2 Material parameters of the connection structure

参数	数值
弹性模量/GPa	108
泊松比	0.34
密度/(kg·m^-3)	4 500
摩擦系数	0.15

图7 弯曲刚度的变化规律

Fig.7 Variation of bending stiffness

图8 文献[2]中弯曲刚度的变化规律

Fig.8 Variation of the bending stiffness in literature [2]

图9 弯曲刚度数值分析结果

Fig.9 Results of numerical analysis of bending stiffness

图10 接触状态云图（a）—止口连接结构；（b）—无止口连接结构.

Fig.10 Contact status nephogram

图11 螺栓1的示意图

Fig.11 Bolt 1 schematic diagram

图12 螺栓预紧力倍数关系

Fig.12 Multiple relation of the bolt preload

图13 不同预紧力下连接结构弯曲刚度

Fig.13 Bending stiffness of the connection structure under different bolt preload

图14 不同预紧力下螺栓预紧力倍数关系

Fig.14 Multiple relation of the bolt preload under different preload

图15 不同螺栓直径下连接结构弯曲刚度

Fig.15 Bending stiffness of the connection structure under different bolt diameters

图16 不同螺栓直径下螺栓预紧力倍数关系

Fig.16 Multiple relation of the bolt preload under different bolt diameters

图17 不同过盈量下连接结构弯曲刚度

Fig.17 Bending stiffness of the connection structure under different interference

图18 不同过盈量下螺栓预紧力倍数关系

Fig.18 Multiple relation of the bolt preload under different interference

图19 装配工艺参数对弯曲刚度增幅对比

Fig.19 Comparison of assembly process parameters on increase of bending stiffness

图20 低压转子系统有限元模型

Fig.20 Finite element model of the low pressure rotor system

图21 止口螺栓连接转子系统前三阶振型（a）—一阶；（b）—二阶；（c）—三阶.

Fig.21 First three modes of the rotor system with the spigot

图22 无止口螺栓连接转子系统前三阶振型（a）—一阶；（b）—二阶；（c）—三阶.

Fig.22 First three modes of the rotor system without the spigot

表3 转子系统前三阶固有频率 (system)

Table 3 First three natural frequencies of the rotor

模态阶数	频率/Hz		相对误差%
模态阶数	止口	无止口	相对误差%
一阶	34.958	34.953	0.014
二阶	53.004	52.725	0.53
三阶	360.75	366.53	1.58

图23 转子系统幅频特性曲线（a）—止口连接；（b）—无止口连接.

Fig.23 Amplitude?frequency characteristic curve of the rotor system

参考文献 17

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装配工艺参数对止口螺栓连接结构力学特性的影响分析

Analysis of Influence of Assembly Process Parameters on Mechanical Properties of Bolted Joint with Spigots

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