[发明专利]一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法

权利要求书

1.一种提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立数值分析模型；

在初步的航空发动机螺栓装配设计中，根据设计得到的螺栓连接结构的工程模型，建立有待进一步优化设计的螺栓连接数值分析模型；

步骤2：确定设计参数

设计参数包括设计域、目标函数、设计变量以及设计要求；设计域根据工程需求确定，所期望目标为连接刚度的优化；目标函数为螺栓连接结构的连接刚度，设计变量为结合面的几何形状，设计要求根据工程需求设定；

步骤3：分析求解，判断设计结果

对步骤1建立的数值模型进行分析求解，提取计算结果中的连接刚度数据，并判断目标函数是否达到设计要求：若达到要求则结束设计过程，当前模型的形状即作为设计结果输出；若未达到要求则进行步骤4，对设计变量进行修改；

步骤4：修改设计变量

根据步骤3中的分析结果，建立结合面几何形状与连接刚度的映射关系，并进行修改；

步骤5：更新数值分析模型

根据步骤4获得的修改结果更新数值分析模型，并返回步骤3继续求解；其中步骤3、步骤4、步骤5为设计过程中的一次完整迭代循环；迭代循环至设计结果满足设计要求后停止，由步骤3输出设计结果，优化设计流程结束；具体方法如下：

结合面间隙是以螺栓孔为中心的圆台状间隙，其形状由圆台高度与圆台底径两参数确定，在迭代设计过程中，其连接刚度与结合面间隙尺寸有关，其间隙底径越大、间隙高度越高则连接刚度越小；设计域内节点坐标修改量根据结合面间隙形状确定，因此节点坐标修改量δ_yj如下公式确定：

式中，y_j为此次迭代设计修改前节点的轴向坐标，y′_j为修改后节点的间隙方向坐标，x_j为节点的径向坐标，h为修改前圆台状间隙的最大高度，δ_h为此次迭代时间隙的最大高度修改量，d_k为修改前圆台状间隙的底径，d_h为螺栓孔径，δ_d为此次迭代时间隙的底径修改量；

选取固定的间隙底径，仅对间隙高度进行设计，即δ_d＝0，因此节点坐标修改量的公式如下：

根据上式确定的坐标修改量，则一次迭代设计过程中各节点坐标通过以下公式进行修改：

式中是第k步迭代时第j点坐标。

2.根据权利要求1所述的提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：

在初步的航空发动机螺栓装配设计过程后，确定螺栓连接的结构与尺寸、螺栓与连接件的材料属性以及螺栓连接的预紧力参数，根据这些参数建立发动机装配连接数值分析模型；在连接件结合面以及螺纹副接触区域进行网格加密处理，并生成接触单元以模拟接触情形。

3.根据权利要求2所述的提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，数值分析模型包括建立几何模型、设置材料属性和单元参数、网格划分、施加约束与载荷。

4.根据权利要求1所述的提高载荷保持性的装配结合面形状主动设计方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：

用连接件数值模型计算所得的等效连接刚度表示，如下式：

其中，k表示连接刚度；F表示螺栓预紧力；u表示被连接件受力时的形变；表示被连接件在螺栓头部承载区域节点的平均位移；表示被连接件在螺母承载区域节点的平均位移；其含义为用螺栓预紧力F及连接件在螺栓头部与螺母承载区域节点的平均位移计算出连接刚度k，其中平均位移计算公式如下：

其中，表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域节点的平均位移；n_i表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域的节点数量；u_i,j表示被连接件在螺栓头部或螺母承载区域的单个节点位移；即平均位移由两区域内节点的总位移与区域内的节点数计算所得；

形状设计的设计变量是螺栓连接件结合面设计域内的几何形状，在离散的数值模型中，设计域表面的几何形状由域内表面节点坐标N(x,y)表示，在进行设计时对节点的坐标分量进行修改；

设计要求即期望的连接刚度k₀，将要求设为具体数值或比例值；

具体数值为经过优化设计得k≤k₀；比例值为经过优化设计连接刚度下降的比例：

其中，a表示设计要求的刚度下降比例。