[发明专利]一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法

说明书

本发明属于机械动力学技术领域，尤其涉及一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法。该方法包括以下步骤：建立管路卡箍约束的实体接触有限元模型，并对管路弹性模量通过自由模态试验进行修正，得到修正后的管路模型；在设定的拧紧力矩下对固有频率进行仿真计算，采用模态试验和基础激励响应试验对仿真计算进行验证；分析螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。该方法采用有限元接触模型且与试验相结合的方式进行对比研究，此种建模方法计算结果准确，与实际结构相符。

技术领域

本发明属于机械动力学技术领域，尤其涉及一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法。

背景技术

航空发动机外部管路是航空发动机的重要组成部分，有航空发动机“心血管”之称，长期以来，由振动引起的航空发动机外部管路失效一直是影响发动机可靠性的重要问题之一。因此，对卡箍管路系统振动特性的研究便显得尤为重要。

针对航发外部管路采用卡箍约束的连接特点，尹泽勇等对卡箍刚度进行了有限元计算，并且通过实验的方法对典型卡箍的刚度进行了验证，获得了卡箍刚度的计算方法，可用于工程实际。Ulanov和Bezborodov通过迟滞回线确定了卡箍刚度及等效粘性阻尼，提出一种基于ANSYS的振动特性分析方法，且仿真计算与试验结果吻合较好。Nassar等通过试验分析了拧紧速度等因素对螺栓连接性能的影响，提高了估算其夹紧力的可靠性。李占营等对柔性卡箍的实际结构进行分析，得出卡箍横向刚度具有分段线性的特点，并进一步分析了其对振动响应的影响。Qiu等基于有限元法分析影响螺栓连接性能的各项参数，研究结果表明预紧力是最为主要的参数。Gao等采用梁单元模拟管路，弹簧模拟卡箍的形式建立卡箍管路系统模型，并通过试验验证了模型的有效性。Rao和Wei基于有限元提出反推螺栓预紧力的算法，获得了螺栓不松动的预紧力范围。Kim等采用有限元软件通过不同的建模方法建立了带有螺栓连接的结构，结果表明采用实体螺栓模型的计算结果最为准确。

由以上的文献分析可知，对于航发外部管路卡箍的约束模型中，大多考虑了卡箍约束的边界条件，但并未考虑卡箍螺栓预紧的影响，与实际结构存在一定的差距。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有模型存在的与实际结构存在差异的技术问题，本发明提供一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法，其包括以下步骤：

建立管路卡箍约束的实体接触有限元模型，并对管路弹性模量通过自由模态试验进行修正，得到修正后的管路模型；

在设定的拧紧力矩下对固有频率进行仿真计算，采用模态试验和基础激励响应试验对仿真计算进行验证；

分析螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。

优选的，基于ANSYS有限元软件，建立了管路卡箍约束的实体接触有限元模型；

管体、金属橡胶及卡箍箍带均选用Solid45实体单元进行网格划分，共有46690个节点，43156个单元；

金属橡胶与箍带间采用的是共节点操作，模拟真实焊接结构；

金属橡胶与管路间为标准接触，其中金属橡胶面为接触面，管路面为目标面，接触单元与目标单元分别选用Conta174和Targe170单元；

卡箍螺栓部分采用Beam188梁单元建模，每个螺栓划分为4个单元，5个节点，在螺栓中心节点添加Prets179预紧力单元，模拟卡箍螺栓的预紧效果；