叶片-轮盘榫联结构的接触分析

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第 11卷第 3期 2013年 9月167245553／2013／11(3~2804动 力 学 与 控 制 学 报JOURNAL OF DYNAMICS AND CONTRO1Vo1．11No．3Sep 2013引 言叶片一轮盘榫联结构的接触分析 木韩清鹏 王娇 魏春雨(1．辽宁科技大学机械工程与自动化学院，鞍山 114051)(2．东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 1 10819)摘要 叶片与轮盘之间的榫联结构存在接触和摩擦组合运动 ，在较高的热一机械载荷作用下容易发生微动磨损并导致疲劳破坏．本文采用有限元法对叶片．轮盘榫联结构进行接触分析 ，计算不同摩擦系数和不同转速情况下的叶片榫头和轮盘榫槽之间的接触压力 、接触滑动距离．结果表明，摩擦系数增大，榫联结构接触面上的接触压力和滑动距离减小；转速增加，则接触压力和滑动距离增大.

关键词 叶片一轮盘， 榫联结构， 有限元法 ， 接触分析DOI： 10．6052／1672-6553-2O13_36涡轮机械中的叶片和轮盘之间的榫联结构，其接触界面上的相互作用较为复杂，所产生的接触疲劳、微 动疲 劳等 问题容 易导 致构 件损 伤 和破坏 [H.

目前针对叶片一轮盘榫联结构的接触分析是工程领域关注的热点．文献[4]应用有限元法和 Am—onton摩擦定律进行了二维榫联结构的弹性分析.

文献[5]对比了二维榫联结构的接触应力的有限元结果与光弹结果．文献[6]完成了榫联结构的三维有限元弹性分析，比较丁几何参数(接触区长度 、接触面倾角、榫头圆角半径等)和摩擦系数对接触应力的影响．文献[7]较准确地计算得到了燕尾形榫联结构高应力梯度位置的接触应力分布．文献[8]重点研究了圆弧／直线几何形式下燕尾形榫联结构的接触应力分布，讨论了几何参数对接触区应力改善的作用．另外，文献[9一l0]的结果都表明，榫联结构的接触分析应考虑斜榫槽的倾斜角和载荷的作用，对掌握接触面微动磨损有参考价值.

利用三维 CAD软件和有限元法对叶片和轮盘及其榫联部位进行精细建模，计人真实叶型所特有的、由于离心力作用所引起的叶身弯矩和扭矩．在此基础上，对比研究了转速和摩擦系数对叶片一轮盘榫联结构接触区接触压力和滑动距离的影响.

1 计算模型叶片一轮盘榫联结构的示意图如图 1所示，这是一 个 24个叶片的周期对称结构，图示部分即为 15。

扇区．两部分的材料均为钛合金 Ti一6A-4V，弹性模量为E=110GPa，泊松比为0．3，密度为P-4．5g／cm .

1 叶片一轮盘榫联结构不蒽Fig．1 Dovetml attachment of blade—disc structure采用 ANSYS中的 ICEM模块进行 网格划分，得到质量较高的六面体网格，如图 2所示，两部分的三维实体均选择 Solid185单元．该有限元模型的网格节点数为 51300个，单元数为45300个；接触区节点数为3720个，单元数为3162个，接触区长度设为 11．7ram.

2012-07-05收到第 1稿，2012-08 13收到修改稿.

国家自然科学基金资助项 日(10972192)和高校基本科研业务费项 目资助项 目(N110603006)十通讯作者 E-mail：hanl01 1###163．tom第 3期 韩清鹏等 ：叶片一轮盘榫联结构的接触分析图2 叶片。轮盘作联结构的精细有限元模型Fig．2 Fine finite element analysis model of dovetailattachment of blade-disc system在相接触的两个表面上分别添加三维 8节点面一面接 触 单 元 Contal74 和 三 维 目标 单 元Targe170．接触刚度(相对于基体单元刚度的比例因子)设为 FKN=1．0．所创建的非对称接触对如图 3所示.

J訇3 榫联 结构的两邵分非对称接触对Fig．3 Non symmetric pair of dovetail attachment为了提高计算效率，可以采用在叶片一轮盘结构的 1／24模型．施加循环对称边界条件后即成为一 个完整的盘片系统．扩展以后的有限元模型如图4所示.

图4 扩展后的叶片 轮盘结构Fig．4 Stretched blade—disc structure在叶片．轮盘榫联结构的接触分析中，摩擦系数的变化范围一般是0．0—1．5¨ 。j．在这里分别取0．0、0．3、0．5、0．7、1．0五种情况．载荷条件为不同转速 所形成 的离心 力，分别考虑 了 2500r／min、5000r／min、7500r／min和 1003 1 r／min四种情况.

2 计算结果2．1 摩擦系数对接触压力和滑动距离的影响当转速为 lO030r／min，摩擦系数分别为 0，0.

3，1．0时的计算结果如图5所示.

墓￥i苣罢8(e)contact pressure．t,t=1 0 (f)sliding distance．it=1．0I冬4 5 小 摩擦系数 F接触 向上接触压力和滑动距 离的分布图Fig．5 Distribution diagram of contact pressure and slidingdistance under different friction toemcient不同摩擦系数下得到的接触压力峰值都出现在接触边的底端，并且沿着接触边接触压力值逐渐的减小．随着摩擦系数的增加，接触压力值逐渐降低， =0．0时的接触压力最大为 836．68MPa； =1．0时，接触压力值最小为339．55MPa.

随着摩擦系数增加，接触边上的滑动距离逐渐减小． =0．0时的滑动距离值最大为0．20ram； =1．0时的滑动距离值最小为0．095mm.

一一段
一 一(| ：v 3 A- cou 【| ：百 ，盎董 -u0tou282 动 力 学 与 控 制 学 报 2013年第 11卷2．2 转速对接触区接触压力和滑动距离的影响设摩擦系数为0．3不变，对叶片．轮盘结构施加不同的转速，分别为2500r／min、5000 r／rain、7500r／rain、10030 r／min，计算结果如图6所示.

莆、-，2羞器＆昌_兰0a(a，~olitaet pl’es$lH’el? 蛔 ? .

} ： l* 争 ¨； ?r-·_l ． 一 ． 一? ． ． ． ? 一 ? ～ 一 一 0 0 5x((b)sliding distance图6 不问转速下接触边上接触压力分布图Fig．6 Distribution diagram of contact pressure underdiferent rotational speed如图6(a)所示，接触边上接触压力随转速的增大而逐渐增大．当转速为 2500r／min时，接触压力的峰值为 33．568MPa．当转速达到 10030r／min时接触压力最大值为 541．142MPa．接触压力的峰值仍然出现在接触边底端．如图6(b)所示，接触边上的滑动距离随转速的增大而逐渐增大．转速为2500r／min时的滑动距离为 8．594~m，转速达到1O030r／min时，滑动距离值达到 138．634~m．滑动距离值在接触边上基本一致.

3 结论由有限元法计算得到的叶片一轮盘榫联结构的接触应力和滑动距离，在不同摩擦系数和不同转速情况下表现出一定的规律．不同摩擦系数时的接触压力峰值均出现在接触边的底端，并且沿接触边逐渐减小．摩擦系数增加时接触压力逐渐降低，接触边上的滑动距离逐渐减小．随着转速的增加，接触区域的接触压力和滑动距离都逐渐增大参 考 文 献1 何明鉴．机械构件 的微动疲劳．北京：国防工业 出版社．1994 (He Mingjian．Fretting fatigue of mechanicalcomponents．Beijing：National Defence Industry Press，1994(in Chinese))2 古远兴．高低周复合载荷下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究 [博士学位论文]．南京：南京航空航天大学，2007(Gu Y X．Research Oil fretting fatigue life of dovetail jointunder HCF—LCF load[PhD Thesis]．Nanjing：Nanjing U—niversity of Aeronautics ＆ Astronautics
． 2007(in Chi—nese))3 刘道新 ，刘军，刘元镛．微动疲劳裂纹萌生位置及形成方式研究．工程力学，2007，24(3)：42～47(Liu D X，Liu J．Liu Y Y．Study on nucleating location and formationof freting fatigue cracks．Engineering Mechanics，2007
，
24(3)：42～47(in Chiniese))4 Boddington P H B，Chen K，Ruiz C．The numerical analy—sis ofdovetail joints．Computer Structure，1985，20：731～7355 Kenny B，Paterson E A，Said M，Aradhya K S S．Contactstress distributions in a turbine disk dovetail type joint—Acomparison of photoelastic and finite element results.

Strain，1991，27：21～246 Papanikos P，Meguid S A，Stjepanovic Z，Three—dimen—sional nonlilear finite element analysis of dovetail joints inaeroengine discs．Finite Element Analysis Design，1 998
，29：173～1867 魏大盛，王延荣．榫联结构接触面几何构形埘接触区应力分布的影响．航空动力学报 ，2010，25(2)：407～41 1(Wei D S，Wang Y R．Efects of profile of contact sHrfaeeson the stress distribution for tenon jointing in blade disk as—semblies．Journal ofAerospace Power，2010，25(2)：407～411(in Chiniese))8 魏大盛，王延荣．榫联结构几何参数对接触应力 的影响．推进技术 ，2010，4：473～477(Wei D S，Wang Y R.

Mortise and tenon joint structure geometry parameters onthe contact stress．Journal ofPropulsion Technology，2010，25(2)：407～411(in Chiniese))9 Anandavel K，Prakash R V．Effect of three—dimensionalloading on macroscopic freting aspects of an aero—engineblade—disc dovetail interface． Tribology International，● 8 6 4 2 j一 c景黾 ∽第3期 韩清鹏等：叶片一轮盘榫联结构的接触分析 2832010，44(11)：1544—155510 Murthy H，Harish G，Farris T N．Efficient modeling offretting of blade／disc contacts including load historyefects．ASME Journal ofTribology，2004，126：56—641 1 Ruiz C，Boddington P H B，Chen K．An investigation offatigue and fretting in a dovetail joint．Experimental Me—chanics，1984，24(3)：208～217CONTACT ANALYSIS oF DoVETAIL ATTACHM ENTIN BLADED．DISC SYSTEM Han Qingpeng Wang Jiao Wei Chunyu(1．Colege of Mechanical Engineering，Liaoning Science and Technology e ，Anshan 1 1405 1
， Chin。)(2．College ofMechanical Engineering，Northeast University，Shenyang 110819．China)Abstract Dovetail attachment is a typical structure of turbomachine connecting blades and disk f I．00t．blade andslot—disk contact with each other)． Freting wear and surface fatigue fracture tend to 0ccur under higher the啪a1and vibration loads in dovetail atachment interface
， where blade usualy happens to flata1 failure． FEA meth0dwas applied to solve the complexity of the contact interface stress of dovetail attachment
． The c0ntact DI ssure andcontact slide distance of dovetail atachment were calculated under different friction coemcient and diflferent r0ta
． tional speed．The calculation shows that contact pressure and contact slide distance reduce as fricti0n c0eficientIncreases，and the contact pressure and contact slide distance enlarge as rotational speed increases
.

Key words bladed_disc， dovetail attachment
， FEA， contact analysisReceived 15 July 2012，revised 13 August 2012
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T proj t
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supp。rtedby the Nati。nal Natural Science Foundati。n。f China(10972192)andThe basic scientifc research expenses funded project (NI106030061十Coresponding author E．mail：hanl01 1### 163
． com