Research on design method of high-stability spoke-type elastic ring and its static/dynamic stiffness characteristics

YANG Tingzhao; WANG Yongfeng; DENG Wangqun; YANG Hai; LIU Wenkui; HONG Jie

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.002

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Research on design method of high-stability spoke-type elastic ring and its static/dynamic stiffness characteristics

·Vibration·Noise·Monitoring·Diagnosis· | 更新时间：2026-06-16

- Research on design method of high-stability spoke-type elastic ring and its static/dynamic stiffness characteristics
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 6, Pages: 10-18(2026)
- 作者机构：
  
  1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100083
  2.中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002
  3.中国航空发动机集团航空发动机振动技术重点实验室，株洲 412002
- 作者简介：
  
  DENG Wangqun, E-mail: hnzzdwq@163.com
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52205082;52075018)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.002
  CLC： V231.96
- Received：10 October 2024，
  
  Revised：2024-10-26，
  
  Published：15 June 2026
- 稿件说明：
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杨廷昭，王永锋，邓旺群，等. 高稳定性轮辐式弹性环设计方法及静/动刚度特性研究［J］. 机械强度，2026，48（6）：10-18.

YANG Tingzhao，WANG Yongfeng，DENG Wangqun，et al. Research on design method of high-stability spoke-type elastic ring and its static/dynamic stiffness characteristics［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：10-18.
杨廷昭，王永锋，邓旺群，等. 高稳定性轮辐式弹性环设计方法及静/动刚度特性研究［J］. 机械强度，2026，48（6）：10-18. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.002.

YANG Tingzhao，WANG Yongfeng，DENG Wangqun，et al. Research on design method of high-stability spoke-type elastic ring and its static/dynamic stiffness characteristics［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：10-18. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.002.

摘要

目的

针对航空发动机凸台式弹性环支承结构大载荷下易出现刚度非线性、周向刚度波动大的问题，开展高力学稳定性轮辐式弹性环设计方法与静/动刚度特性研究，解决经典结构支承稳定性不足的工程痛点。

方法

首先，提出新型轮辐式弹性环结构方案与力学模型，识别关键设计参数，建立标准化设计流程，为结构方案设计提供支撑；其次，建立基于Ansys软件的弹性环静/动刚度仿真方法，掌握关键结构参数对刚度特性的影响规律，实现参数优化选取；最后，搭建静刚度测试系统，开展多工况刚度特性试验研究，验证结构性能与仿真方法的准确性。

结果

结果表明，新型轮辐式弹性环周向刚度波动不超过1.7%，周向均匀性远优于经典结构；0~500 Hz动载荷激励下，动刚度变化控制在1.5%以内，无刚度突变；大载荷下无刚度非线性特征，刚度仿真与试验结果误差小于5%，可为转子支承系统设计提供参考。

Abstract

Objective

Aiming at the problems of stiffness nonlinearity and large circumferential stiffness fluctuation of the traditional boss-type elastic ring support structure for aero-engines under large loads

the design method and static/dynamic stiffness characteristics of a novel spoke-type elastic ring with high mechanical stability were studied

to solve the engineering pain point of insufficient support stability of the traditional structure.

Methods

Firstly

a structural scheme and mechanical model of the novel spoke-type elastic ring were proposed

the key design parameters were identified

and a standardized design process was established to support the structural scheme design. Secondly

a static/dynamic stiffness simulation method for the elastic ring based on Ansys software was established

the influence law of key structural parameters on stiffness characteristics was mastered

and the optimal selection of parameters was realized. Finally

a static stiffness test system was built

and multi-condition stiffness characteristic tests were carried out to verify the structural performance and the accuracy of the simulation method.

Results

The results show that the circumferential stiffness fluctuation of the novel spoke-type elastic ring is no more than 1.7%

and its circumferential uniformity is much better than that of the traditional structure; under the dynamic load excitation of 0-500 Hz

the variation of dynamic stiffness can be controlled within 1.5% without sudden stiffness change; no stiffness nonlinearity occurs under large load conditions

and the relative error between the stiffness simulation and test results is less than 5%

which can provide a reference for the design of aero-engine rotor support systems.

关键词

Keywords

references

洪杰，邓吟，张大义 . 弹性环式挤压油膜阻尼器动力设计方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2006 ， 32 （ 6 ）： 649 - 653 .

HONG Jie ， DENG Yin ， ZHANG Dayi . Dynamic design method of elastic ring squeeze film damper ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2006 ， 32 （ 6 ）： 649 - 653 . （In Chinese）

周明，李其汉，晏砺堂 . 弹性环式挤压油膜阻尼器减振机理研究［J］. 航空动力学报， 1998 ， 13 （ 4 ）： 403 - 407 .

ZHOU Ming ， LI Qihan ， YAN Litang . Study on vibration damping mechanism of an elastic ring squeeze film damper ［J］. Journal of Aerospace Power ， 1998 ， 13 （ 4 ）： 403 - 407 . （In Chinese）

曹磊 . 组合弹性支承—阻尼系统动力特性理论及试验研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2006 ： 56 - 68 .

CAO Lei . Theoretical and experimental study on dynamic characteristics of combined elastic support-damper ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2006 ： 56 - 68 . （In Chinese）

卢玲玲，于进学 . 涡扇发动机轴向定位弹性环优化设计［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2018 ， 31 （ 5 ）： 26 - 30 .

LU Lingling ， YU Jinxue . Optimum design of an axial positioning elastic ring of turbofan engine ［J］. Gas Turbine Experiment and Research ， 2018 ， 31 （ 5 ）： 26 - 30 . （In Chinese）

TILLEMA H ， WENSING J . Validation of a rotor dynamics model with viscoelastic bearing supports ［C］// Proceedings of the International Modal Analysis Conference . Enschede ： University of Twente ， 2002 ： 593 - 602 .

王晓娟，韩知非，丁千，等 . 流体惯性对弹性环式挤压油膜阻尼器-转子系统动力特性的影响［J］. 航空动力学报， 2018 ， 33 （ 12 ）： 2981 - 2990 .

WANG Xiaojuan ， HAN Zhifei ， DING Qian ， et al . Influence of fluid inertia on dynamic characteristics of elastic ring squeeze film damper-rotor system ［J］. Journal of Aerospace Power ， 2018 ， 33 （ 12 ）： 2981 - 2990 . （In Chinese）

马艳红，陆宏伟，朱海雄，等 . 弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证［J］. 航空学报， 2013 ， 34 （ 6 ）： 1301 - 1308 .

MA Yanhong ， LU Hongwei ， ZHU Haixiong ， et al . Structural stiffness design and experimental evaluation of elastic ring-metal rubber damper ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2013 ， 34 （ 6 ）： 1301 - 1308 . （In Chinese）

THENNAVARAJAN S ， KULKARNI S ， MANIKANDAN L P ， et al . Experimental evaluation of elastic ring squeeze film dampers for small gas turbine engine ［C］// Proceedings of the National Aerospace Propulsion Conference . Singapore ： Springer ， 2020 ： 507 - 526 .

DILIGENSKIY D S ， NOVIKOV D K . Studying of manufacturing tolerance influence on the performance of GTE rotor elastic rings ［J］. Procedia Engineering ， 2017 ， 176 ： 483 - 497 .

DILIGENSKII D S ， NOVIKOV D K ， PECHENIN V A ， et al . Designing a technique for estimating press fit parameters of elastic rings for a rotor bearing damper ［J］. Journal of Machinery Manufacture and Reliability ， 2020 ， 49 （ 7 ）： 618 - 623 .

曹磊，高德平，江和甫 . 弹性环刚度特性研究［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2007 ， 20 （ 1 ）： 36 - 38 .

CAO Lei ， GAO Deping ， JIANG Hefu . Investigation on stiffness characteristics of elastic ring ［J］. Gas Turbine Experiment and Research ， 2007 ， 20 （ 1 ）： 36 - 38 . （In Chinese）

李兵，程定春，江志敏 . 弹性环式挤压油膜阻尼器-转子系统动力特性试验研究［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2015 ， 28 （ 4 ）： 19 - 22 .

LI Bing ， CHENG Dingchun ， JIANG Zhimin . Experiment study on dynamic characteristics of elastic ring squeeze film damper rotor system ［J］. Gas Turbine Experiment and Research ， 2015 ， 28 （ 4 ）： 19 - 22 . （In Chinese）

罗忠，刘家希，刘凯宁，等 . 弹性环式支承结构动刚度分析及其对转子系统的影响［J］. 东北大学学报（自然科学版）， 2022 ， 43 （ 5 ）： 667 - 673 .

LUO Zhong ， LIU Jiaxi ， LIU Kaining ， et al . Analysis of dynamic stiffness of the elastic ring support structure and its influence on the rotor system ［J］. Journal of Northeastern University （Natural Science）， 2022 ， 43 （ 5 ）： 667 - 673 . （In Chinese）

李岩，廖明夫，王四季 . 配合关系对弹性环式挤压油膜阻尼器减振特性的影响［J］. 振动与冲击， 2020 ， 39 （ 11 ）： 232 - 238 .

LI Yan ， LIAO Mingfu ， WANG Siji . Effect on vibrating attenuation by the fit of elastic ring squeeze film damper ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2020 ， 39 （ 11 ）： 232 - 238 . （In Chinese）

龙向阳，洪杰，张大义，等 . 弹性环刚度强度的分析方法与力学特性研究［J］. 热能动力工程， 2010 ， 25 （ 2 ）： 145 - 149 .

LONG Xiangyang ， HONG Jie ， ZHANG Dayi ， et al . Study of the methods for analyzing the rigidity and strength of an elastic ring and its mechanics characteristics ［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power ， 2010 ， 25 （ 2 ）： 145 - 149 . （In Chinese）

HERBORTH J ， RAYKOWSKI L ， BEAMISH D . Bearing support flexible ring ： US8337090 ［P］. 2012-12-25 .

KNAPP M H . Bearing support ： US4872767 ［P］. 1989-10-10 .

CASARO F . Annular support for rolling bearings ： US7553123 ［P］. 2009-06-30 .

罗忠，刘家希，李雷，等 . 弹性环配合紧度对转子动力学特性的影响［J］. 机械工程学报， 2023 ， 59 （ 13 ）： 124 - 132 .

LUO Zhong ， LIU Jiaxi ， LI Lei ， et al . Dynamic characteristics analysis of rotor system with fitting tightness of elastic ring support structure ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2023 ， 59 （ 13 ）： 124 - 132 . （In Chinese）

《航空发动机设计手册》编委会 . 航空发动机设计手册：第19册转子动力学及整机振动［M］. 北京：航空工业出版社， 2000 ： 209 - 214 .

Editorial Committee of the Aircraft Engine Design Manual . Aircraft engine design manual： volume 19， rotor dynamic and unit vibration ［M］. Beijing ： Aviation Industry Press ， 2000 ： 209 - 214 . （In Chinese）

《机械工程材料性能数据手册》编委会．机械工程材料性能数据手册［M］. 北京：机械工业出版社， 1995 ： 461 - 472 .

Editorial Committee of the Mechanical Engineering Materials Performance Data Handbook . Mechanical engineering materials performance data handbook ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 1995 ： 461 - 472 . （In Chinese）

刘世华，张宝才，谢隋杰，等 . 增材制造钛合金飞机结构维修件力学性能试验研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1340 - 1347 .

LIU Shihua ， ZHANG Baocai ， XIE Suijie ， et al . Experimental research on mechanical properties of titanium alloy aircraft structure maintenance parts by additive manufacturing ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1340 - 1347 . （In Chinese）

王玮，汤宇，吴乙万，等 . 盆形金属橡胶三向准静态试验研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 2 ）： 331 - 340 .

WANG Wei ， TANG Yu ， WU Yiwan ， et al . Experimental investigation on the tri-directional quasi-static of pot-shaped metal rubber ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 2 ）： 331 - 340 . （In Chinese）

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