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燕尾型榫连接结构被广泛应用于压气机叶片与轮盘的连接部位,是一种常见而且重要的连接形式。由于接触区边缘应力集中严重,接触表面极易产生微动疲劳裂纹,因此也成为发动机容易失效的关键部位。国外早已有发动机率先采用了圆柱接触面榫连接结构,以降低接触面峰值挤压应力并改善接触面的应力分布,提高微动疲劳寿命。国内对该结构的设计方法研究还处于摸索阶段。因此,开展圆柱接触面榫连接结构设计方法研究,具有重大的工程实际意义。
本文首先对圆柱榫齿的接触特性开展了研究,建立了三种典型接触模型。对其分析表明:两端圆弧中间直线段的接触形式在合理取值下接触应力分布最优,圆柱对平面接触次之。由此确立了两种圆柱榫连接结构设计方案,并参数化建模,研究得到了结构参数的设计准则、计算方法和完整设计流程。
对圆柱接触面榫进行了验证性设计,并对摩擦系数、接触面侧角等对结构应力影响较大的因素开展了研究。研究表明:摩擦系数增加,接触长度和接触应力峰值减小。接触面侧角增加,榫头表面各点沿滑移距离增加,微动磨损程度变得严重。
最后,本文选择了最大接触应力和FFD综合参数两种优化目标,对两种圆柱榫的设计方案分别了进行优化。目标函数值大幅降低,接触面上FFD最大值与摩擦功W也均减小,说明微动磨损程度降低,提高了微动疲劳寿命。