端面弧齿结构与强度

《端面弧齿结构与强度》介绍了端面弧齿的工作原理、结构及特点、齿面方程、所用材料、强度计算方法，根据ASME锅炉及压力容器规范以及国内压力容器分析设计标准JB 4732—1995（2005年确认），给出其强度判定准则；提出针对端面弧齿结构的接触界面刚度计算方法，对端面弧齿结构进行动力学分析，并根据动力学响应计算端面弧齿的动应力并对其分布特性进行分析；研究叶片失谐和端面弧齿失谐时转子的动态响应及动应力分布规律；最后介绍了对端面弧齿的均匀预紧方法。

袁淑霞，博士，副教授，毕业于西安交通大学机械工程专业。目前在西安石油大学主要从事化工过程机械、数值仿真、以及流固耦合等方面教学与研究。

第1 章　 重型燃气轮机及其转子结构特征 1
　 1. 1　 重型燃气轮机技术特点及发展趋势1
　 1. 2　 重型燃气轮机转子结构及特点4
　 1. 3　 端面弧齿结构与强度研究8
　 　 1. 3. 1　 端面弧齿应力应变研究8
　 　 1. 3. 2　 端面弧齿动力学特性研究10
　 　 1. 3. 3　 失谐研究 12
　 　 1. 3. 4　 预紧方法研究 14
第2 章　 重型燃气轮机端面弧齿结构与材料17
　 2. 1　 端面弧齿简介17
　 2. 2　 端面弧齿结构及参数19
　 2. 3　 端面弧齿齿面方程20
　 2. 4　 端面弧齿材料24
　 　 2. 4. 1　 高温合金 GH2132 (A286) 26
　 　 2. 4. 2　 高温合金 GH4169 (Inconel718) 29
　 　 2. 4. 3　 高温合金 GH2706 (Inconel706) 33
第3 章　 端面弧齿强度设计准则 35
　 3. 1　 强度理论35
　 　 3. 1. 1　 最大拉应力理论 (第一强度理论) 36
　 　 3. 1. 2　 最大伸长线应变理论 (第二强度理论) 36

　　3. 1. 3　 最大剪应力理论 (第三强度理论) 37
　 　 3. 1. 4　 形状改变比能理论 (第四强度理论) 37
　 　 3. 1. 5　 莫尔强度理论 38
　 3. 2　 防止塑性垮塌的分析设计39
　 　 3. 2. 1　 概述 39
　 　 3. 2. 2　 应力分类40
　 　 3. 2. 3　 评定方法42
　 　 3. 2. 4　 设计应力强度 (许用应力) 46
第4 章　 端面弧齿静应力分布及接触状态分析47
　 4. 1　 非线性有限元理论及其在端面弧齿强度分析中的应用47
　 　 4. 1. 1　 有限元法  47
　 　 4. 1. 2　 有限元法基本原理  47
　 　 4. 1. 3　 求解单元的定义 49
　 　 4. 1. 4　 单元刚度矩阵及总体刚度矩阵 50
　 　 4. 1. 5　 节点载荷与位移方程51
　 　 4. 1. 6　 非线性分析 52
　 4. 2　 端面弧齿有限元模型60
　 　 4. 2. 1　 建模及网格划分 60
　 　 4. 2. 2　 材料特性62
　 　 4. 2. 3　 边界条件的施加63
　 　 4. 2. 4　 应力评定标准64
　 4. 3　 运行工况参数对端面弧齿应力分布的影响规律66
　 　 4. 3. 1　 预紧力对端面弧齿应力分布的影响67
　 　 4. 3. 2　 离心力对端面弧齿应力分布的影响75
　 　 4. 3. 3　 扭矩力对端面弧齿应力分布的影响79
　 　 4. 3. 4　 温度场分析86
　 　 4. 3. 5　 热 -应力耦合分析88

　 4. 4　 端面弧齿的径向滑移101
第5 章　 端面弧齿动力学特性及动应力分布103
　 5. 1　 概述103
　 5. 2　 端面弧齿连接转子动力学分析103
　 　 5. 2. 1　 拉杆转子等效抗弯刚度模型103
　 　 5. 2. 2　 计算模型验证106
　 　 5. 2. 3　 粗糙表面接触刚度计算107
　 　 5. 2. 4　 表面形貌及预紧力对拉杆转子等效抗弯刚度的影响规律110
　 5. 3　 端面弧齿动应力分布计算114
　 　 5. 3. 1　 转子动态响应计算115
　 　 5. 3. 2　 端面弧齿转子有限元模型116
　 　 5. 3. 3　 端面弧齿齿间应力分布规律研究117
　 　 5. 3. 4　 端面弧齿不同位置接触对应力分析 125
　 5. 4　 薄壁结构对端面弧齿应力分布的影响132
　 　 5. 4. 1　 薄壁结构对端面弧齿不同位置接触对应力分布的影响132
　 　 5. 4. 2　 薄壁结构对端面弧齿径向应力分布的影响132
　 　 5. 4. 3　 薄壁结构对端面弧齿动应力的调节作用133
第6 章　 失谐状态下端面弧齿应力分布规律 135
　 6. 1　 概述135
　 6. 2　 叶片失谐对转子动力学特性及端面弧齿应力分布的影响136
　 　 6. 2. 1　 叶片失谐时转子动态响应计算136
　 　 6. 2. 2　 叶片失谐对端面弧齿应力分布的影响140
　 6. 3　 拉杆失谐时端面弧齿转子等效抗弯刚度计算模型143
　 6. 4　 拉杆失谐对转子动力学特性及端面弧齿应力分布的影响147
　 　 6. 4. 1　 拉杆失谐时转子的动态响应147
　 　 6. 4. 2　 拉杆失谐对端面弧齿应力分布的影响规律149
第7 章　 拉杆预紧方式和预紧程度对端面弧齿应力分布的影响155
　 7. 1　 概述155
　7. 2　拉杆预紧方式对端面弧齿应力分布及动力学特性的影响155
　 　 7. 2. 1　 拉杆预紧方式对比156
　 　 7. 2. 2　 拉杆预紧方式对端面弧齿应力分布及转子动力学特性的影响160
　 7. 3　 一种改进的均匀预紧方法162
　 　 7. 3. 1　 方法原理  162
　 　 7. 3. 2　 预紧方法的实施过程164
　 　 7. 3. 3　 实验验证165
　 7. 4　 拉杆预紧程度对端面弧齿应力分布的影响169
参考文献 175

《端面弧齿结构与强度》介绍了端面弧齿的工作原理、结构及特点、齿面方程、所用材料、强度计算方法，根据ASME锅炉及压力容器规范以及国内压力容器分析设计标准JB 4732—1995（2005年确认），给出其强度判定准则；提出针对端面弧齿结构的接触界面刚度计算方法，对端面弧齿结构进行动力学分析，并根据动力学响应计算端面弧齿的动应力并对其分布特性进行分析；研究叶片失谐和端面弧齿失谐时转子的动态响应及动应力分布规律；最后介绍了对端面弧齿的均匀预紧方法。

袁淑霞，博士，副教授，毕业于西安交通大学机械工程专业。目前在西安石油大学主要从事化工过程机械、数值仿真、以及流固耦合等方面教学与研究。