一种浮动瓦块螺桩装配预紧力范围计算方法与流程

本发明属于航空发动机领域，涉及带浮动壁的火焰筒浮动瓦块安装技术，具体涉及一种浮动瓦块螺桩装配预紧力范围计算方法。

背景技术：

1、随着现代高性能航空发动机技术的发展，要求增加涡轮进口温度以提高单位推力，因此燃烧室部件设计需要不断向高温方向发展，使得高效复合冷却形式的浮动壁火焰筒逐渐替代传统单一的冷却结构，进而满足先进航空发动机使用需求，浮动壁火焰筒具有分开承力和承热的功能，可以有效降低火焰筒壁温，提高火焰筒寿命。

2、浮动壁火焰筒中承热功能主要由浮动瓦块实现，浮动瓦块上一般设置有三个或五个螺桩，其分别与自锁螺母通过螺纹连接方式安装在火焰筒承力壁上。火焰筒承力壁上加工有与应浮动瓦块螺桩部位对应的安装孔，包括一个圆孔起定位作用，其余为椭圆形孔，椭圆形孔允许瓦块沿椭圆长轴方向浮动以释放两者间热应力。

3、浮动瓦块装配到火焰筒承力壁上时，浮动瓦块螺桩与自锁螺母在冷态装配时需要施加一定的拧紧力矩。目前现有的普通螺栓的拧紧力矩标准，例如hb 6586 (螺栓螺纹拧紧力矩)、q/stb 12.521.5（公制螺栓扭紧力矩），一般是根据螺栓室温拉伸性能和螺纹规格确定适当的力矩范围，而浮动瓦块螺桩工作环境与普通螺栓具有以下不同之处：一是工作环境为高温，其能够引起螺柱材料蠕变松弛预紧力降低和拉伸性能严重衰减；二是浮动瓦块与承力壁的温度及材料的差异，导致两者会产生较大的热变形不协调，因此要求浮动瓦块工作时应能够浮动，以释放热应力避免局部发生静强度或低循环疲劳问题；三是在浮动瓦块出现热变形时，承力壁对瓦块螺桩有较大的摩擦力作用，此时如果不能控制预紧力则会导致摩擦力偏大，进而在恶劣的工作环境中瓦块螺桩根部极易产生裂纹，严重影响瓦块使用寿命。

4、另外，传统的拧紧力矩确定方法均存在螺母拧紧力矩与螺栓的预紧力为线性关系的假设，通常用拧紧力矩系数k来描述，且k为一常数。但实际上由于螺桩与螺母、被连接件端面的表面摩擦系数，以及螺纹牙间摩擦系数的复杂性与分散性等影响，存在实际的拧紧力矩系数与经验值可能相差深远，并具有较大的分散性的问题。采用上述方法确定的预紧力范围，不适用于在高温、强振动工作环境下的浮动瓦块，会导致施加预紧力存在偏差，产生影响浮动瓦块的工作可靠性和使用寿命的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于公开一种浮动瓦块螺桩装配预紧力范围计算方法，以解决依据现有普通螺栓拧紧力矩确定方法得到的预紧力范围不适用于高温、强振动工作环境下的浮动瓦块，而出现的施加预紧力偏大或偏小，影响浮动瓦块的工作可靠性和使用寿命的问题。

2、实现发明目的的技术方案如下：一种浮动瓦块螺桩装配预紧力范围计算方法，包括：

3、步骤1、获取影响螺桩装配预紧力上限的第一参数；

4、步骤2、基于第一参数，计算预紧力上限，包括：

5、步骤21、采用第一参数获取螺桩截面许用强度，并依据螺桩截面许用强度计算第一预紧力上限；

6、步骤22、采用第一参数获取螺桩根部倒圆位置许用应力，并依据螺桩根部倒圆位置许用应力计算第二预紧力上限；

7、步骤23、采用第一参数获取浮动瓦块与承力壁热变形不协调产生的热应力，并依据热应力计算第三预紧力上限；

8、步骤24、选取第一预紧力上限、第二预紧力上限、第三预紧力上限中最小值作为预紧力上限；

9、步骤3、依据模态试验和预紧力上限，获取基于振动频率的第一预紧力衰减系数；依据有限元仿真技术，获取基于应力松弛的第二预紧力衰减系数；

10、步骤4、依据第一预紧力衰减系数、第二预紧力衰减系数、螺桩预紧力上限值，获取预紧力下限。

11、进一步地，所述第一参数包括螺桩室温条件下拉伸强度、螺桩工作条件下持久强度、工作时间、安全系数、螺桩公称应力截面积、浮动瓦块材料低循环疲劳性能、以及浮动瓦块与承力壁之间的摩擦系数。

12、更进一步地，步骤21中，采用第一参数获取螺桩截面许用强度，并依据螺桩截面许用强度计算第一预紧力上限，包括：

13、步骤211、在室温条件下，采用螺桩室温条件下拉伸强度和安全系数计算第一螺桩截面许用强度，依据螺桩公称应力截面积和第一螺桩截面许用强度计算基于拉伸强度的第一预紧力上限；

14、步骤212、在工作温度条件下，采用螺桩工作条件下持久强度和安全系数计算第二螺桩截面许用强度，依据螺桩公称应力截面积和第二螺桩截面许用强度计算基于持久强度的第一预紧力上限；

15、步骤213、选取基于拉伸强度的第一预紧力上限和基于持久强度的第一预紧力上限中的最小值作为第一预紧力上限。

16、更进一步地，步骤22中，采用第一参数获取螺桩根部倒圆位置许用应力，并依据螺桩根部倒圆位置许用应力计算第二预紧力上限，包括：

17、步骤221、在工作温度条件下，采用浮动瓦块材料低循环疲劳性能，和瓦块服役典型工况和循环数的设计要求，计算螺桩根部倒圆位置许用应力；

18、步骤222、基于有限元仿真技术，依据螺桩根部倒圆位置许用应力获取第二预紧力上限。

19、更进一步地，步骤23中，采用第一参数获取浮动瓦块与承力壁热变形不协调产生的热应力，并依据热应力计算第三预紧力上限，包括：

20、步骤231、在工作条件下，基于有限元仿真技术获取浮动瓦块与承力壁因温度差异引起热变形不协调产生的热应力；

21、步骤232、在工作条件下，采用浮动瓦块与承力壁之间的摩擦系数、热应力，计算瓦块能够浮动的临界预紧力，作为第三预紧力上限。

22、进一步地，步骤3中，依据模态试验和预紧力上限，获取基于振动频率的第一预紧力衰减系数、依据有限元仿真技术获取基于应力松弛的第二预紧力衰减系数，包括：

23、步骤31、对带有浮动瓦块的火焰筒进行模态试验，获取常温条件下满足振动裕度的最低预紧力；采用最低预紧力与预紧力上限计算第一预紧力衰减系数；

24、步骤32、采用有限元仿真计算工作状态下螺桩应力松弛后的预紧力，采用螺桩应力松弛后的预紧力与松弛前预紧力计算第二预紧力衰减系数。

25、在一个改进的实施例中，上述浮动瓦块螺桩装配预紧力范围计算方法还包括：

26、依据确定的预紧力上限和预紧力下限，应用智能螺栓技术对自锁螺母拧紧操作实时监测。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开的浮动瓦块螺桩装配预紧力范围计算方法可以改善瓦块装配质量，提高瓦块使用寿命。更具体的，具有以下优点：

28、1.给出了浮动瓦块装配时采用螺桩预紧力控制的方法，结合智能螺栓的采用，可以更精确的控制每个螺桩装配过程，避免采用拧紧力矩控制时由于加工工艺、表面状态的差异引起个别螺桩真实预紧力偏离设计值而导致的螺栓过载或预紧力不足产生的松脱和振动问题；

29、2.在确定预紧力上限时，增加了螺桩截面高温工作状态强度准则，即考虑了螺桩截面持久强度计算第一预紧力上限，避免了浮动瓦块螺桩高温工作条件下蠕变失效的问题；

30、3.在确定预紧力上限时，增加了螺桩根部倒圆位置应力准则，螺桩根部倒圆是瓦块低循环疲劳寿命危险部位，且倒圆处应力与预紧力正相关，通过控制预紧力可以提高瓦块低循环疲劳寿命；

31、4.在确定预紧力上限时，增加了瓦块浮动准则，可以有效消除瓦块和承力壁热变形不协调，避免产生较大热应力降低瓦块使用寿命；

32、5.在确定预紧力下限时，考虑了振动频率引起的预紧力衰减系数和应力松弛引起的预紧力衰减系数，避免浮动瓦块在高温工作环境中长期工作因蠕变松弛导致有效预紧力下降，进而引起振动频率变化可能产生危险振动的问题。