波形弹簧性能分析及疲劳寿命预测

摘要

随着密封性能对航空发动机安全和效率影响的逐渐提高，研究先进密封装置已成为提高航空发动机性能的关键点之一。本文研究的波形弹簧是石墨端面密封的关键原件之一，为主密封副提供补偿力。本文在建立了波形弹簧的理论模型的基础上，利用软件ABAQUS和FE-SAFE对波形弹簧的力学性能和疲劳寿命进行分析，同时分析了加工误差对波形弹簧性能的影响。主要研究内容如下所示：　　(1)通过不同的简化方法以及理论建立了波形弹簧的简支梁理论模型和空间曲杆理论模型，得到波形弹簧的轴向刚度表达式，以此分析各个结构参数对波形弹簧轴向刚度的影响。　　(2)采用有限元分析法对波形弹簧的力学特性进行分析，分析波形弹簧各个结构参数对波形弹簧轴向刚度和最大等效应力的影响规律，同时拟合了各个结构参数和轴向刚度之间的关系函数。　　(3)考虑到材料参数和工况参数的波动会对波形弹簧的性能产生较大影响，所以分析了弹性模量、工作温度以及摩擦系数对波形弹簧性能的影响。　　(4)分析波形弹簧工作条件下的主应力，从而确定波形弹簧的应力状态。使用疲劳分析软件结合热-固耦合有限元模型对波形弹簧的疲劳寿命进行预测，并分析不同温度下的波形弹簧的疲劳寿命。　　(5)采用分析单因素法，分别建立波形弹簧各个加工误差的有限元模型并进行分析，得到单个加工误差对波形弹簧性能的影响，包括内外径曲线不平齐的加工误差和内外径波高不同的加工误差。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 论文的研究背景和意义

1.2 波形弹簧国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章波形弹簧理论模型

2.1 波形弹簧简介

2.2 波形弹簧设计计算的理论模型

2.2.1 简支梁模型计算分析

2.2.2 空间曲杆模型计算分析

2.3 本章小结

第3章波形弹簧性能分析

3.1 波形弹簧设计基础

3.2 波形弹簧的有限元模型建立

3.2.1 材料的选择

3.2.2 模型的非线性与接触设置

3.2.3 网格划分

3.2.4 载荷与边界条件

3.3 结构参数对波形弹簧性能的影响

3.3.1 波数 n 对波形弹簧性能的影响

3.3.2 厚度 t 对波形弹簧性能的影响

3.3.3 宽度 b 对波形弹簧性能的影响

3.3.4 自由高度 H 对波形弹簧性能的影响

3.3.5 中径 DM对波形弹簧性能的影响

3.4 材料参数对波形弹簧性能的影响

3.5 工况参数对波形弹簧性能的影响

3.5.1 工作温度对波形弹簧性能的影响

3.5.2 摩擦系数对波形弹簧性能影响

3.6 波形弹簧压缩回弹性能分析

3.7 本章小结

第4章波形弹簧疲劳寿命预测

4.1 疲劳寿命预测原理及方法

4.2 波形弹簧应力状态分析

4.3 波形弹簧疲劳寿命预测

4.3.1 建立波形弹簧的载荷谱

4.3.2 建立高温合金材料参数

4.3.3 平均应力修正

4.3.4 疲劳算法的选择

4.3.5 疲劳寿命结果分析

4.4 温度影响下波形弹簧疲劳寿命预测

4.5 本章小结

第5章加工误差对波形弹簧性能的影响分析

5.1 加工误差的来源

5.2 加工误差对波形弹簧力学性能的影响

5.2.1 内外径曲线不平齐对波形弹簧性能的影响

5.2.2 内外径曲线波高不同对波形弹簧性能影响

5.3 加工误差对波形弹簧疲劳寿命的影响

5.4 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢