本发明公开了一种轮盘超转试验转接盘优化设计方法，在保证试验轮盘定心效果情况下，通过优化参数轮缘长度，使转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移等于试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移。从而减少转接盘对试验轮盘径向位移的影响，使超转试验的结果更加准确，并提高超转试验成功率。
1.一种轮盘超转试验转接盘优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将转接盘的旋转对称剖面需设计成沿径向中心线轴对称的形式，将转接盘的轮缘部位厚度设计成比转接端厚度大；
步骤2：建立试验轮盘与转接盘二维有限元模型，计算破裂转速，并将过程写成APDL语言；
步骤3：计算试验轮盘破裂转速，并提取试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移；
步骤5：判断转接盘破裂转速是否大于试验轮盘破裂转速；若否，则增加转接盘轮毂、辐板、转接端厚度，并返回步骤4，直至转接盘破裂转速大于试验轮盘破裂转速；若是，则提取转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移，并进行步骤6；
步骤6：判断转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移是否大于试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移；若否，则进行步骤
步骤7：增加转接盘二维有限元模型中轮缘长度，并返回步骤4；
步骤8：设置目标函数，优化参数为轮缘长度，利用有限元程序进行优化，得到最终优化后轮缘长度。
2.根据权利要求1所述的轮盘超转试验转接盘优化设计方法，其特征在于：所述步骤2中，计算破裂转速为：对轮盘与转接盘施加轴向位移约束，施加全局旋转角速度，施加的角速度需大于所计算盘的破裂转速，采用大变形准静态分析，激活自动时间步中的弧长法选项，收敛准则设置为0.5，载荷子步数设置3000步，每5次记录一次结果，设定轮盘外缘的径向位移达到0.015mm时自动停止计算，并将上述设定全部导出为APDL语言。
3.根据权利要求1所述的轮盘超转试验转接盘优化设计方法，其特征在于：所述步骤5中，转接盘轮毂、辐板、转接端增加的厚度为1-20mm。
4.根据权利要求1所述的轮盘超转试验转接盘优化设计方法，其特征在于：所述步骤7中，每次增加转接盘二维有限元模型中轮缘长度为1-10mm。
5.根据权利要求1所述的轮盘超转试验转接盘优化设计方法，其特征在于：所述步骤8中，优化轮缘长度，使转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移等于试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移；优化完成后得到的轮缘长度值即为优化后转接盘轮缘长度。
一种轮盘超转试验转接盘优化设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种航空发动机轮盘超转试验转接盘优化设计方法，属于发动机轮盘强度结构设计领域。
背景技术
[0002] 轮盘可能因为在加速过程中燃油调节器失灵，发动机供油量增大，导致轮盘转速超过最大允许工作转速，而转子或轴发生故障可能也会让轮盘发生超转。带有加力燃烧室的军用发动机上最容易发生轮盘超转现象。所有发生在轮盘和轮缘的破裂均属于非包容性事故，这就意味着破裂产生的轮盘碎片在击穿发动机包容机匣后极有可能切断密集的油路系统，损毁控制元件，甚至打穿油箱或座舱，导致灾难性的后果。因此在轮盘结构设计中，必须进行预估和验证。
[0003] 目前，国内外针对轮盘破裂转速的预估与验证得研究开展了大量工作。在进行轮盘超转试验时，试验轮盘需要通过转接盘与超转试验驱动轴相连，超转试验对定心的要求非常高。现有超转试验中，试验轮盘主要依靠短螺栓连接的定心。但很多轮盘连接处在接近破裂转速时会有较大的径向位移，这会将短螺栓剪断，导致超转试验失败。而采用航空发动机中依靠圆柱面抵紧的定心方式，让短螺栓只起到传扭作用，但这种定心方式下转接盘将影响试验轮盘径向位移，改变超转试验结果。
发明内容
[0004] 为了解决现有转接盘会影响超转试验破裂结果的问题，本发明的目的是提供一种轮盘超转试验转接盘优化设计方法，以提高试验成功率，减少转接盘对超转试验结果的影响。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种轮盘超转试验转接盘优化设计方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1：将转接盘的旋转对称剖面需设计成沿径向中心线轴对称的形式，将转接盘的轮缘部位厚度设计成比转接端厚度大；
[0008] 步骤2：建立试验轮盘与转接盘二维有限元模型，计算破裂转速，并将过程写成APDL语言；
[0009] 步骤3：计算试验轮盘破裂转速，并提取试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移；
[0010] 步骤4：计算转接盘破裂转速；
[0011] 步骤5：判断转接盘破裂转速是否大于试验轮盘破裂转速；若否，则增加转接盘轮毂、辐板、转接端厚度，并返回步骤4，直至转接盘破裂转速大于试验轮盘破裂转速；若是，则提取转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移，并进行步骤6；
[0012] 步骤6：判断转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移是否大于试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移；若否，则进行步骤7；若是，则进行步骤8；
[0013] 步骤7：增加转接盘二维有限元模型中轮缘长度，并返回步骤4；
[0014] 步骤8：设置目标函数，优化参数为轮缘长度，利用有限元程序进行优化，得到最终优化后轮缘长度。
[0015] 所述步骤8中，优化轮缘长度，使转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移等于试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移；优化完成后得到的轮缘长度值即为优化后转接盘轮缘长度。
[0016] 有益效果：本发明的方法在保证试验轮盘定心效果情况下，通过优化参数轮缘长度L，使试验轮盘与转接盘连接处径向位移X1与X2在试验轮盘破裂转速N1时相等。从而减少转接盘对试验轮盘径向位移的影响，使超转试验的结果更加准确，并提高超转试验成功率。具有以下优点：
[0017] (1)保证试验轮盘定心效果，提高超转试验成功率。
[0018] (2)使超转试验的结果更加准确。
附图说明
[0019] 图1为转接盘优化设计思路流程图；
[0020] 图2a和2b为原型转接盘的结构示意图；其中，图2a为主视图，图2b为局部侧视图；
[0021] 图3为旋转对称剖面中心对称示意图；
[0022] 图4为试验机-转接盘-试验轮盘连接示意图；
[0023] 图5为转接盘优化前后对比图；
[0024] 图6为高压涡轮盘连接处，未优化转接盘连接处与优化转接盘连接处的转速-径向位移曲线图。
[0025] 图中，1-试验轮盘；2-转接盘，201-轮缘，202-转接端，203-辐板，204-转接盘轮毂，205-螺栓孔；3-试验机驱动轴；A-转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点，B-试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点；L-轮缘长度，D1-轮缘厚度，D2-转接端厚度，D3-辐板厚度，D4-转接盘轮毂厚度。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0027] 如图1所示，本发明的一种轮盘超转试验转接盘优化设计方法，包括以下步骤：
[0028] 步骤1：将转接盘的旋转对称剖面需设计成沿其径向中心线对称的形式，可以保证转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点的转速-径向位移曲线和试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点的转速-径向位移曲线的拟合度更高；将轮缘部位厚度设计成比转接端厚度大，保证试验轮盘在旋转过程中良好定心。
[0029] 如图4所示，试验轮盘1通过转接盘2连接至试验机驱动轴3。根据超转试验机型号，试验轮盘尺寸和以往设计经验，确定原型转接盘初始设计参数，如图1所示，该转接盘不能保证良好定心，在接近破裂时会因转接盘与试验轮盘径向位移不协调而剪断螺栓。增加轮缘部分，将转接盘旋转对称剖面设计成关于径向中心线轴对称形式，如图2所示，轮缘201初始长度L设置为10-20mm。轮缘厚度D1设计成比转接端厚度D2大10-30mm。
[0030] 步骤2：建立试验轮盘与转接盘二维有限元模型，计算破裂转速，并将过程写成APDL语言；
[0031] 通过试验获取试验轮盘和转接盘材料本构模型，建立多线性本构模型。建立试验盘与转接盘二维模型。设置单元行为方式为轴对称形式。对轮盘与转接盘施加轴向位移约束。根据经验施加全局旋转角速度，施加的角速度需大于所计算盘的破裂转速。采用大变形准静态分析，激活自动时间步中的弧长法选项，收敛准则设置为0.5。载荷子步数设置3000步(过小的步数会导致曲线震荡)，每5次记录一次结果。设定轮盘外缘的径向位移达到0.015mm时自动停止计算。并将上述设定全部导出为APDL语言。
[0032] 步骤3：计算试验轮盘破裂转速N1，并提取试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移X1；如图4，该节点为B处；
[0033] 通过有限元计算，提取试验轮盘破裂转速N1。提取B处坐标的节点在N1时的径向位移X1。
[0034] 步骤4：计算转接盘破裂转速N2；
[0035] 通过有限元计算，提取试验轮盘破裂转速N2。根据经验增加导出程序中转接盘模型的轮缘长度L，对于增加的L值不易过大。
[0036] 步骤5：判断N2是否大于N1；
[0037] 若否，则增加转接盘轮毂204的厚度D4、辐板203的厚度D3、转接端202的厚度D2各1-20mm，并返回步骤4，直至转接盘破裂转速大于试验轮盘破裂转速。若是，则提取转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移，该节点如图3中A所示，并进行步骤6；
[0038] 本步骤能够保证试验时转速上升过程中试验轮盘先发生破裂。
[0039] 步骤6：判断转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移X2是否大于试验轮盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移X1；
[0040] 若否，则进行步骤7。若是，则进行步骤8；这样在步骤8的优化过程中，轮缘长度只会减小，保证转接盘的破裂转速不会因为步骤8而小于试验轮盘破裂转速。
[0041] 步骤7：增加转接盘二维有限元模型中轮缘长度，并返回步骤4；
[0042] 每次增加的转接盘模型的轮缘201长度为1-10mm，并返回步骤4计算。
[0043] 增加轮缘长度，可以增加转接盘二维有限元模型上试验轮盘与转接盘连接处螺栓孔圆心坐标的节点在试验轮盘破裂转速时的径向位移。
[0044] 步骤8：优化轮缘长度L至X1＝X2；
[0045] 在有限元软件Ansys中设置目标函数为ABS(X2-X1)，优化参数为轮缘201长度L。步骤8中的轮缘201长度L初始值为增加过后，保证N2＞N1、X2≥X1的值。利用Ansys自带优化程序进行优化。优化完成后得到的L值即为优化后转接盘轮缘长度；通过减少转接盘在试验中对试验轮盘产生径向约束，减少对试验轮盘破裂转速试验结果的影响。
[0046] 通过该优化方法，优化前后轮盘如图5所示。试验轮盘连接处，未优化转接盘连接处与优化转接盘连接处(图3中节点A处)转速-径向位移曲线如图6所示。优化转接盘与试验轮盘安装后破裂转速与试验盘破裂转速相差0.07％，未优化转接盘与试验轮盘安装后破裂转速与试验盘破裂转速相差1.01％。
[0047] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
