【摘 要】
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航空发动机是航空领域中的研究重点,其质量的好坏决定着国家在航空领域的科技水平。航空发动机被称为飞机的“心脏”,一方面为其提供动力,另一方面也推进了航空工业的进步。惯性摩擦焊机作为一种先进的固相焊接方法,以自己独特的优势广泛活跃于航空航天领域,成为研制航空发动机的关键技术。但国内现在关于惯性摩擦焊接的技术薄弱,大型设备更是欠缺,亟需开展对大吨位高精度重型惯性摩擦焊机的相关研究。为了提高惯性摩擦焊机的
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航空发动机是航空领域中的研究重点,其质量的好坏决定着国家在航空领域的科技水平。航空发动机被称为飞机的“心脏”,一方面为其提供动力,另一方面也推进了航空工业的进步。惯性摩擦焊机作为一种先进的固相焊接方法,以自己独特的优势广泛活跃于航空航天领域,成为研制航空发动机的关键技术。但国内现在关于惯性摩擦焊接的技术薄弱,大型设备更是欠缺,亟需开展对大吨位高精度重型惯性摩擦焊机的相关研究。为了提高惯性摩擦焊机的综合性能,本文对一种惯性摩擦焊机进行结构分析及优化设计,寻求满足设计指标要求的最佳结构,具体研究内容如下:（1）根据摩擦焊机设计的基本要求和摩擦焊接的原理和特点,确定了惯性摩擦焊机的焊接参数和设计指标,设计惯性摩擦焊机的整体结构并建立了整机三维模型;（2）采用折衷规划法对焊机床身结构进行多目标优化设计,建立了基于最大刚度和最大固有频率两个目标的折衷规划法数学模型,将折衷规划法和有限元仿真相结合,对床身结构进行多目标拓扑优化,通过优化后的材料分布确定了床身的结构形式;采用灵敏度分析的方法,确定了床身的关键尺寸,并经过多目标尺寸优化得到了床身各部分最优尺寸;（3）对主轴箱体进行拓扑优化设计,在保证主轴箱体刚度和抗拉强度的前提下,使主轴箱体的质量减少了9.1%,实现了轻量化设计;对顶锻箱进行尺寸优化,使顶锻箱在顶锻阶段的静态变形降低了3.8%,最大应力减小了0.8%,质量降低了4.9%,提高了顶锻箱的刚度和强度,并降低了成本;对拉杆的截面形状进行了选择,通过比较不同尺寸、不同形状下的静态变形量确定了拉杆选用直径350mm的圆形截面拉杆;（4）建立了惯性摩擦焊机整机有限元模型,结合静动态特性分析理论,对惯性摩擦焊机的关键部件和整机结构进行了有限元仿真分析。分析结果表明,在顶锻加工阶段惯性摩擦焊机整机的最大静态变形量为0.368mm,其中X、Y、Z方向的变形量分别为0.368mm、0.052mm、0.105mm,满足设计指标;整机模态分析的一阶固有频率为33.27Hz,表明动态刚度足够;整机谐响应分析结果也验证了惯性摩擦焊机能够抵抗所必须经受的环境而不发生破坏;（5）介绍了铸造、焊接的优缺点及生产流程。以主轴箱为例对惯性摩擦焊机的生产制造和装配工艺和装配过程中会出现的问题进行了简要分析介绍。
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