螺栓群分批同步拧紧下薄壁件非均匀变形机理及其双域消减设计

The Low pressure turbine(LPT) shaft of turbofan engine is a typical thin-walled structure， which has obviously effect of nonuniform deformation on the performance of the whole assembly. To solve this problem， this project presents a Double-zone nonuniform deformation reduction design toward to structure zone and assembly zone. Through building contact deformation model and considering surface topography, the cone-disk deformation model is improved. Through analyzing the relationships between deformation of cone-disk and constraint, size, shape, the generation mechanism and distribution regularities of deformation is studied, which can conclude the generation mechanism of deformation in the structure zone. Through analyzing the relationships between tighten strategy and deformation regularities, the transfer path of deformation is presented. And the coupling relationship of structure zone and assembly zone is studied after sensitivity analysis. Then, based on the analysis of uncertainty, the Double-zone nonuniform deformation reduction design of LPT is presented. At last, the experiment of synchronous tightening bolts using two axles is developed to verify above design, which can provide theory and technology for LPT shaft assembly.

锥盘连接结构是一种典型的薄壁结构，其在螺栓群拧紧下的非均匀变形现象对涡扇发动机整机性能和可靠性有着显著的影响。针对该问题，本项目提出对其非均匀变形机理及其消减设计方法的研究。将影响非均匀变形的因素分为结构设计域和装配策略域两部分，分别研究变形的产生机理、变形的非均匀分布机理。通过研究多螺栓同步作用下考虑结合面实际表面形貌的锥盘连接结构变形规律，揭示结构设计域中变形的产生机理；通过研究螺栓群分批同步拧紧策略驱动下锥盘连接结构的变形分布规律，揭示装配策略域中变形的非均匀分布机理；继而，通过对影响变形不确定性的因素研究、结构设计域与装配策略域耦合关系的研究，提出非均匀变形的双域耦合优化模型，实现结构设计域和装配策略域的协同优化。开展锥盘连接结构模拟件双螺栓同步拧紧实验，验证该设计方法的有效性，为涡扇发动机低压涡轮轴装配提供重要的理论依据和工艺参考。

航空发动机在我国国防工业和国民经济领域中占有突出重要的地位，代表着国家工业最高技术水平，被誉为高端制造业“皇冠上的明珠”。目前，我国航空发动机的核心部件转子系统存在着突出的装配质量控制问题，装配高精度创成机理和技术、装配工艺稳定性等都存在着一定不足，特别是对于大量的螺栓连接结构更是如此。基于航空发动机复杂的转子结构和高性能、高可靠性的总要求，针对在役、在研的多种型号航空发动机，如何在装配环节提高转子结构连接特性及其工艺稳定性具有十分重要的意义。针对上述问题，本项目开展了几何偏差下螺栓预紧力产生机理、螺栓残余扭矩的产生机理及其变化规律、螺栓组的弹性相互作用关系、转子装配过程的同心度变化规律、低压涡轮轴装配工艺对比与验证等几方面的研究，揭示了结合面制造误差与表面形貌的跨尺度相互作用关系、止口贴合误差下转子同心度的产生机理、零件制造误差与装配工艺误差对预紧力控制误差的影响机理等关键科学问题，形成了螺栓预紧力精确控制、装配性能退化抑制设计方法、转子装配精度快速预测等多项技术。在本项目的支持下累计发表论文10篇，其中SCI检索6篇，申请专利4项，并应用于国内首台商用涡扇发动机的模拟转子装配工艺正向设计中，为螺栓拧紧工艺的制定提供了理论基础和技术保障。