● 摘要
航空发动机涡轮榫接结构是连接转子叶片与涡轮盘的关键部位，其设计问题一直是航空发动机工作的重中之重。枞树形榫接结构承受高温高离心力的工作条件，需要同时满足强度和疲劳寿命等严格要求。反之容易出现断裂，掉块等故障，造成灾难性后果。
榫接结构的设计之所以困难，首先因为榫接结构十分精细，其应力大小对尺寸十分敏感。其次，榫接结构是连接叶片和轮盘的关键部位，受到自身结构外的多重影响，包括叶片结构及载荷、涡轮盘结构与载荷、涡轮气动流道与转速的影响等，实际工作情况复杂，难于准确判断。而榫接接触问题属于非线性问题，其计算结果受网格精度影响极大，传统计算方式存在两个主要问题，一方面计算时间过长，尤其是对于榫接的优化分析，过细的网格会导致计算时间大幅增加，另一方面，在二维接触问题分析中，端部由于巨大的压缩量而产生了接触带宽度增加，所以端部应力分布是三维的，传统的计算方法没有考虑这些因素，计算结果不够准确。此外国内很多研究工作均假定材料的表面状态处于理想的工作条件,没有考虑到接触表面的摩擦系数等在工作过程中的变化，所以对榫接结构设计方法进行全面的分析十分重要。
本文首先针对涡轮枞树形榫接结构接触边界，在试验的基础上探索接触结构的数值计算方法，并针对齿形结构开展了试验研究和数值计算分析，提出不同的齿形结构形式对接触区接触应力的影响；接下来对榫接关键参数的范围及影响进行了分析，以指导优化设计变量的选择及确定；此外对榫接结构接触面的摩擦系数影响及其因素进行了分析，并且分析了接触热阻的影响因素及其对温度场和热应力的影响。最终将这些因素加入到榫接优化分析中，进行了三个层次的优化分析，优化实现了涡轮流道尺寸和涡轮结构强度的多学科多变量优化设计，取得了较好的优化效果。