高速旋转空心轴的优化设计

闫思江，韩晓玲，闫 晗

（1.青岛港湾职业技术学院，山东 青岛 266404；2.大庆第二采油厂 信息中心，黑龙江 大庆 163000）

高速旋转空心轴的优化设计

闫思江1，韩晓玲1，闫 晗2

（1.青岛港湾职业技术学院，山东 青岛 266404；2.大庆第二采油厂 信息中心，黑龙江 大庆 163000）

基于结构优化处理器OptiStruct，采用有限元法对高速旋转空心轴进行优化设计，在既满足扭转刚度又满足临界转速的约束下，优化出质量最轻的旋转轴几何尺寸。本文给出了具体优化步骤和方法。

空心轴；高速旋转；有限元；优化设计

高速旋转轴是航空发动机具有关键特性的重要部件，其质量和特性水平对于发动机和飞机的可靠性、安全寿命和性能的提高具有决定性影响。通过减轻高速旋转轴的质量，可以减轻发动机的总重量，从而提高发动机的性能[1]。

轴的转速达到一定值时，运转便不稳定而发生显著的反复变形，这种现象称为轴的振动。如果作用于转轴的外来干扰频率（转子的转速）等于轴的固有频率，系统将发生共振，发生共振时的转速，称为临界转速ncr。轴的工作转速n不能与其临界转速接近，否则将发生共振现象而使轴遭到破坏。计算临界转速的目的就在于使工作转速避开临界转速。

1 影响临界转速的因素

以无阻尼单自由度系统为例说明优化中的设计变量选取，旋转轴简化模型如图1所示。

图1 旋转轴简化模型

式中：A为振幅；K为刚度；m为质量；ωn为固有频率；φ为初相位。

式中：δ为挠度；I为惯性矩。

所以改变固有频率ωn的一般方法是改变轴的直径d[2]。……