刘璐璐,李志鹏,韩佳奇,罗刚,赵振华,陈伟

• 1:南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室
• 2:南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室

摘要(Abstract)：

基于霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)装置,对发动机结构设计中广泛使用的螺栓连接结构开展了冲击试验,研究了冲击载荷作用下单螺栓结构的承载能力、损伤模式和失效机理,掌握了冲击速度、预紧力、装配间隙的影响规律。在瞬态显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA中,对单螺栓连接结构的冲击试验进行了数值仿真分析,其中螺栓结构采用考虑螺纹细节的精细有限元模型,仿真获得的应变波传播规律与试验吻合良好,验证了该模型的有效性。试验与仿真结果表明:单螺栓连接结构冲击过程分为初始加载与滑移、接头双峰强加载、卸载三个阶段;冲击速度越大,冲击力峰值显著增加;增大螺栓装配间隙或适当提高预紧力均可增强螺栓连接结构的抗冲击剪切能力,而过大的预紧力则会使抗冲击剪切能力下降;螺栓的失效模式为剪切压溃失效。

关键词(KeyWords)： 航空发动机;冲击载荷;螺栓连接结构;损伤机理;SHPB试验

Abstract:

Keywords:

基金项目(Foundation): 国家科技重大专项（2017-Ⅳ-0006-0043）

作者(Author): 刘璐璐,李志鹏,韩佳奇,罗刚,赵振华,陈伟

DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.210454

参考文献(References)：

• [1]石宏.航空发动机装配工艺技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015:52-89.
• [2]艾延廷，李传喜，田晶，等.基于环形板理论的机匣安装边密封特性分析方法研究[J].推进技术，2021,42(2):431-439.(AI Yan-ting,LI Chuan-xi,TIAN Jing,et al. Sealing Characteristic Analysis Method of Casing Installation Edge Based on Annular Plate Theory[J]. Journal of Propulsion Technology,2021,42(2):431-439.)
• [3] Cao Z,Brake M R W,Zhang D. The Failure Mechanisms of Fasteners under Multi-Axial Loading[J]. Engineering Failure Analysis,2019,105:708-726.
• [4] Benhaddou T,Stephan P,Daidie A,et al. Effect of Axial Preload on Durability of Aerospace Fastened Joints[J].International Journal of Mechanical Sciences, 2018,137:214-223.
• [5] Jha A K,Singh S K,Swathi K M,et al. Failure Analysis of Titanium Alloy(Ti6Al4V)Fastener Used in Aerospace Application[J]. Engineering Failure Analysis,2010,17(6):1457-1465.
• [6]陈伟，刘璐璐，宣海军，等.突加高能载荷作用下航空发动机结构动态响应及安全性综述[J].推进技术，2020,41(9):2099-2119.(CHEN Wei,LIU Lulu,XUAN Hai-jun,et al. Review on Dynamic Response and Safety of Engine Structure under Sudden High Energy Load[J],Journal of Propulsion technology,2020,41(9):2099-2119.)
• [7]洪亮，古远兴，雷新亮，等.航空发动机叶片突丢后动载荷对螺栓强度的影响[J].燃气涡轮试验与研究，2015(1):21-24.
• [8] Bai C,Xuan H,He Z,et al. Research on Centrifugal Compressor Disk Containment of Auxiliary Power Unit[J]. Aerospace Science and Technology,2017,68:37-45.
• [9] Cao Z,Zhang F,Zhang D,et al. Failure Mechanisms of Bolted Flanges in Aero-Engine Casings Subjected to Impact Loading[J]. Chinese Journal of Aeronautics,2021,DOI:10.1016/j.cja.2021.04.00.
• [10]曹振忠，张帆，章定国，等.带有安装边螺栓连接结构的机匣包容能力研究[J].航空学报，2021,42(9).
• [11] Andrew V K. Mechanical Behaviour of Bolted Joints under Impact Rates of Loading[D]. East Lansing:Michigan State University,2012.
• [12] Ambarita H. Impact Fracture of Jointed Steel Plates of Bolted Joint of Cars[J]. Applied Mechenics and Materials,2014,566:232-237.
• [13] Kim J,Yoon J,Kang B. Finite Element Analysis and Modeling of Structure with Bolted Joints[J]. Applied Mathematical Modelling,2007,31(5):895-911.
• [14]郭历伦，陈忠富，罗景润，等.预紧力状态螺栓连接结构动力学响应的一种数值方法研究[J].机械强度，2015(6):1119-1123.
• [15]金晶，吴新跃.螺栓联结结构冲击破坏模型简化研究[J].机械强度，2011(2):241-246.
• [16]白聪儿，宣海军，米栋，等.离心压气机包容结构连接螺栓建模方法[J].航空动力学报，2019,34(2):313-320.
• [17]万云帆.多层金属机匣的包容性试验与数值仿真分析[D].南京：南京理工大学，2018.
• [18]史冬岩，张亮，张成，等.冲击载荷作用下预紧力螺栓强度特性研究[J].船海工程，2012(2):166-169.
• [19] O′Toole B,Karpanan K,Feghhi M. Experimental and Finite Element Analysis of Preloaded Bolted Joints under Impact Loading[R]. AIAA 2006-1757.
• [20]周帆，张伟.航空结构中螺栓连接预紧力设计研究[J].内燃机与配件，2018(2):17-18.
• [21] He Q,Xuan H,Liao L,et al. Simulation Methodology Development for Rotating Blade Containment Analysis[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A,2012,13(4):239-259.
• [22] He Q,Xie Z,Xuan H,et al. Ballistic Testing and Theoretical Analysis for Perforation Mechanism of the Fan Casing and Fragmentation of the Released Blade[J]. International Journal of Impact Engineering,2016,91:80-93.
• [23] He Q,Xie Z,Xuan H,et al. Multi-Blade Effects on Aero-Engine Blade Containment[J]. Aerospace Science and Technology,2016,49(2):101-111.