航空发动机转子盘鼓组合界面非线性动力学特性及失效机理研究

Disk-drum type rotors have been widely used in aero-engines, where adjacent disks and drums are connected by bolted joints. In the course of engine operation, the relative slippage at the joint interfaces will lead to nonlinear stiffness and friction damping and affect rotor system dynamics. Furthermore, under long-term alternating loading conditions, the bolt loosening might appear, which will cause large vibration of rotor systems and even result in structure damage. The purpose of this project is to understand the nonlinear joint characteristics and the bolt loosening mechanism under high rotating speed, and reveal the effect of the joints on the rotor system dynamics. The disk-drum joint interfaces in aero-engine rotors are studied here. The joint interface model involving the rotation effect and the nonlinear frictional contact charactersitics is proposed. And the nonlinear dynamics of the dick-drum type rotor are evaluated. The cause for the onset of the bolt loosening and its influence on the dynamics of the rotor system are investigated. Finally, the means for controlling the nonlinear joint characteristics and the bolt loosening are proposed. The research in this project will provide theoretical basis for the design and application of joint interfaces in aero-engine rotors. The research results have significant theoretical and practical merit for enhancing the design level and operation stability of aero-engines in our country.

航空发动机普遍采用盘鼓式转子结构，通过螺栓实现轮盘与鼓筒间的连接。航空发动机运行过程中，盘鼓组合界面上的相对滑移会导致转子局部连接刚度和阻尼非线性，影响转子系统的动力学特性；而长时间处于复杂交变载荷作用下，螺栓还可能会出现松动，诱发转子大幅振动，甚至造成结构破坏。本项目旨在掌握高速旋转状态下转子系统中连接结构的非线性力学特性及螺栓松动机理，揭示连接结构对转子系统动力学特性的影响规律。以航空发动机盘鼓组合界面为研究对象，提出能够反映转子回转效应以及接触、摩擦非线性特征的组合界面力学模型，研究盘鼓转子的非线性动力学行为，探讨螺栓松动的产生原因及其转子系统动力学特性的影响，提出抑制转子连接非线性和螺栓松动的方法，为航空发动机转子系统中组合界面的设计和使用提供理论基础，研究成果对于提高我国航空发动机的设计水平及运行稳定性具有重要的理论和实用价值。

航空发动机转子系统结构复杂，转子轴系通常由轮盘、鼓筒和转轴通过螺栓等连接方式装配而成。目前，在对这类复杂转子系统进行动力学分析时，通常采用一维梁模型近似模拟转轴和鼓筒，并且忽略连接界面，对转子各组件进行刚性连接处理。这种建模方法无法反应鼓筒薄壳结构特征以及螺栓连接对转子系统动力学特性的影响，导致分析结果存在较大误差。本项目总和运用理论分析、数值模拟和试验研究等手段，依次从螺栓连接盘鼓界面、盘鼓组合结构以及盘鼓式转子系统三个层次开展了研究，系统、深入的探讨了鼓筒薄壳结构和螺栓连接特性对盘鼓式转子系统动力学特性的影响规律。通过研究，本项目建立了螺栓连接盘鼓组合界面非线性动力学模型，探讨了弹性边界对鼓筒以及盘鼓组合结构动力学特性的影响规律，进一步提出了能够反映鼓筒薄壳结构特征以及螺栓连接影响的盘鼓式转子动力学模型。在上述研究基础上，考虑螺栓松动诱发的时变刚度特征，定量研究了螺栓松动程度和松动个数对转子系统动力学特性的影响规律。在理论研究的同时，开展了非旋转态螺栓-法兰连接结构以及螺栓连接盘鼓式转子动力学试验，对比研究了螺栓连接对系统力学特性的影响，为螺栓连接盘鼓式转子动力学分析提供了试验数据支撑。在完成项目研究内容的基础上，将螺栓连接结构动力学建模与分析方法推广到航天领域中广泛应用的爆炸螺栓和包带连接结构连接特性分析。本项目研究为螺栓连接盘鼓式转子动力学研究提供了有效的建模和分析方法。研究成果为航空发动机转子组合界面的设计和使用提供理论指导，有助于提高我国航空发动机的设计水平及运行稳定性。同时，项目关于鼓筒薄壳结构特征以及螺栓局部连接特性的分析方法可以推广至其他连接结构，具有一定程度上的普适性。项目研究成果具有重要的理论价值和实际应用意义。