Uncertainty analysis of simplified spline coupling model and its impact on rotor dynamic characteristics

XI Jiali; GUO Qintao; LIU Jiwen; JIA Zhigang

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Uncertainty analysis of simplified spline coupling model and its impact on rotor dynamic characteristics

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

- Uncertainty analysis of simplified spline coupling model and its impact on rotor dynamic characteristics
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 6, Pages: 19-28(2026)
- 作者机构：
  
  1.南京航空航天大学机电学院，南京 210016
  2.中国航空发动机集团有限公司中国航空发动机研究院，北京 101300
- 作者简介：
  
  GUO Qintao, E-mail: guo_qintao@nuaa.edu.cn
- 基金信息：
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.003
  CLC： V232.9
- Received：25 November 2024，
  
  Revised：2024-12-02，
  
  Published：15 June 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
奚佳莉，郭勤涛，刘济稳，等. 套齿简化模型不确定性分析及其对转子动力学特性的影响［J］. 机械强度，2026，48（6）：19-28.

XI Jiali，GUO Qintao，LIU Jiwen，et al. Uncertainty analysis of simplified spline coupling model and its impact on rotor dynamic characteristics［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：19-28.
奚佳莉，郭勤涛，刘济稳，等. 套齿简化模型不确定性分析及其对转子动力学特性的影响［J］. 机械强度，2026，48（6）：19-28. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.003.

XI Jiali，GUO Qintao，LIU Jiwen，et al. Uncertainty analysis of simplified spline coupling model and its impact on rotor dynamic characteristics［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：19-28. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.003.

摘要

目的

在进行航空发动机转子动力学计算时通常将套齿接触结构省略，导致无法体现其刚度特性变化对转子动力特性的影响。针对该问题，考虑套齿结构刚度特性建立简化模型，并开展相关转子动力学分析计算。

方法

首先，根据套齿结构刚度等效的简化方法，将某航空发动机试验台单面套齿结构进行简化，建立了套齿连接结构的简化模型；然后，利用试验件开展相关转子固有特性试验，根据试验结果对简化模型进行参数识别，并进行参数的不确定性分析；最后，针对简化模型中等效轴段的弹性模量开展转子临界转速及应变能的影响研究。

结果

试验结果表明，转子简化模型与试验模型最大计算频率误差小于3%，证明套齿结构简化建模方法具有较高的可靠性和准确性，同时通过参数修正，更好地提高了模型的准确性；通过参数不确定性分析，证明了仿真预测计算与试验具备较好的一致性。在简化模型的转子动力学计算中，发现随着套齿等效弹性模量的增加，各阶临界转速和转子应变能都有不同幅度增加。研究可为后续工程实践中高效开展含套齿结构转子设计及整机动力学分析提供方法与参考。

Abstract

Objective

In the rotor dynamic calculation of aero-engine

spline coupling is usually omitted

which leads to the problem that the influence of the change of its stiffness characteristics on the rotor dynamic characteristics cannot be reflected. Aiming at this problem

a simplified model was established considering the stiffness characteristics of the spline coupling

and the related rotor dynamic analysis and calculation were carried out.

Methods

Firstly

according to the simplified method of the equivalent stiffness of the spline coupling

the single-sided spline coupling of an aero-engine test bench was simplified

and a simplified model of the spline coupling was established. Secondly

the test pieces were used to carry out the relevant rotor inherent characteristic test

and the parameters of the simplified model were identified according to the test results

and the uncertainty of the parameters was analyzed. Finally

the influence of the critical speed and strain energy of the rotor was studied for the elastic modulus of the equivalent shaft section in the simplified model.

Results

The test results show that the maximum calculation frequency error between the simplified rotor model and the test model is less than 3%

which proves that the simplified modeling method of the spline coupling has high reliability and accuracy

and the accuracy of the model is better improved by parameter correction. Through the analysis of parameter uncertainty

it is proved that the simulation prediction calculation is in good agreement with the test. In the rotor dynamic calculation of the simplified model

it is found that with the increase of the equivalent elastic modulus of spline coupling

the critical speed of each order and the strain energy of the rotor increase in different ranges. This study provides a method and reference for the efficient design of rotor with spline coupling and the dynamic analysis of the whole machine in the subsequent engineering practice.

关键词

Keywords

references

李伦绪，陈果，杨默晗 . 航空发动机套齿连接结构刚度特性仿真分析及试验研究［J］. 中国机械工程， 2022 ， 33 （ 18 ）： 2249 - 2257 .

LI Lunxu ， CHEN Guo ， YANG Mohan . Simulation analysis and experimental study of stiffness characteristics of aero-engine spline couplings ［J］. China Mechanical Engineering ， 2022 ， 33 （ 18 ）： 2249 - 2257 . （In Chinese）

朱彬，杨诚，刘烨辉，等 . 套齿连接结构力学模型及其刚度影响因素［J］. 机械设计与制造， 2019 （增刊1 ）： 86 - 90 .

ZHU Bin ， YANG Cheng ， LIU Yehui ， et al . Mechanical modeling for the spline joint and the influence factors investigation for its stiffness ［J］. Machinery Design & Manufacture ， 2019 （ Suppl.1 ）： 86 - 90 . （In Chinese）

WU F Y ， LIANG Z C ， MA Y H ， et al . Bending stiffness and dynamic characteristics of a rotor with spline joints ［C］// Proceedings of the ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition . New York ： ASME ， 2013 ：V 04 AT 04 A 058 . （In Chinese）

高原，王晓伟，何奥迪，等 . 套齿连接转子简化建模及动力特性分析［J］. 航空发动机， 2023 ， 49 （ 6 ）： 62 - 68 .

GAO Yuan ， WANG Xiaowei ， HE Aodi ， et al . Simplified modeling and dynamic characteristics analysis of rotor with spline coupling ［J］. Aeroengine ， 2023 ， 49 （ 6 ）： 62 - 68 . （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 ： 79 - 158 .

Editorial Board of the Aircraft Engine Design Manual . Aircraft engine design manual： volume 19， rotor dynamic and unit vibration ［M］. Beijing ： Aviation Industry Press ， 2000 ： 79 - 158 . （In Chinese）

刘聪，杨海，杨哲夫，等 . 基于应变能分布的高速转子系统动力特性设计［J］. 机械工程学报， 2023 ， 59 （ 17 ）： 136 - 147 .

LIU Cong ， YANG Hai ， YANG Zhefu ， et al . Dynamic property design of high-speed rotor system based on strain energy distribution ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2023 ， 59 （ 17 ）： 136 - 147 . （In Chinese）

陈亮，彭刚，田锦 . 某航空发动机高压转子总体结构设计与动力特性评估［J］. 机电信息， 2023 （ 15 ）： 27 - 33 .

CHEN Liang ， PENG Gang ， TIAN Jin . Overall structural design and dynamic characteristic evaluation of high-pressure rotor for a certain aero-engine ［J］. Mechanical and Electrical Information ， 2023 （ 15 ）： 27 - 33 . （In Chinese）

秦清珍，郭勤涛，展铭，等 . 基于薄层单元法的螺栓连接结构有限元模型确认［J］. 强度与环境， 2019 ， 46 （ 6 ）： 41 - 50 .

QIN Qingzhen ， GUO Qintao ， ZHAN Ming ， et al . Finite element model validation of bolted connection structure basing thin layer element method ［J］. Structure & Environment Engineering ， 2019 ， 46 （ 6 ）： 41 - 50 . （In Chinese）

董超，郑楠，李中生，等 . 套齿连接结构简化建模及模型修正方法［J］. 航空发动机， 2026 ， 52 （ 3 ）： 47 - 53 .

DONG Chao ， ZHENG Nan ， LI Zhongsheng ， et al . Study on simplified modeling and model correction method of spline coupling ［J］. Aeroengine ， 2026 ， 52 （ 3 ）： 47 - 53 . （In Chinese）

MURA A . Sensitivity analysis of a six degrees of freedom displacement measuring device ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science， 2014 ， 228 （ 1 ）： 158 - 168 .

ZHANG Q C ， LI W X ， LIANG Z C ， et al . Study on the stiffness loss and its affecting factors of the spline joint used in rotor systems ［C］// Proceedings of the ASME Turbo Expo 2014：Turbine Technical Conference and Exposition . New York ： ASME ， 2014 ： V07AT31A019 .

胡建伟 . 套齿联接转子系统的动力学特性研究［D］. 沈阳：东北大学， 2020 ： 87 - 90 .

HU Jianwei . Research on dynamic characteristics of rotor system with spline coupling ［D］. Shenyang ： Northeastern University ， 2020 ： 87 - 90 . （In Chinese）

姚星宇，王建军，翟学 . 航空发动机螺栓连接薄层单元建模方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2015 ， 41 （ 12 ）： 2269 - 2279 .

YAO Xingyu ， WANG Jianjun ， ZHAI Xue . Modeling method of bolted joints of aero-engine based on thin-layer element ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2015 ， 41 （ 12 ）： 2269 - 2279 . （In Chinese）

展铭 . 螺栓连接结构动力学多响应模型修正与确认方法研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2020 ： 1 - 137 .

ZHAN Ming . Research on model updating and validation of bolt jointed structures based on multi dynamic responses ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2020 ： 1 - 137 . （In Chinese）

陈学前，沈展鹏，刘信恩 . 基于响应面与灵敏度分析的区间不确定性参数识别方法［J］. 振动与冲击， 2019 ， 38 （ 16 ）： 267 - 273 .

CHEN Xueqian ， SHEN Zhanpeng ， LIU Xin’en . A method of interval uncertain parameter identification based on a response surface model and sensitivity analysis ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2019 ， 38 （ 16 ）： 267 - 273 . （In Chinese）

张学仪，何小妹，刘峻峰，等 . 基于蒙特卡洛法的叶片型面参数测量不确定度分析［J］. 航空制造技术， 2021 ， 64 （ 12 ）： 94 - 101 .

ZHANG Xueyi ， HE Xiaomei ， LIU Junfeng ， et al . Evaluation of uncertainty in blade parameter measurement based on Monte Carlo method ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2021 ， 64 （ 12 ）： 94 - 101 . （In Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

ANALYSIS OF UNCERTAINTY RELATIONSHIP OF MECHANICAL STRUCTURE BASED ON HOLE-SHAFT CLEARANCE FIT (MT)

STOCHASTIC FINITE ELEMENT MODEL UPDATING BASED ON POLYNOMIAL CHAOTIC EXPANSION AND KL DIVERGENCE

Study on random vibration fatigue evaluation method of small branch pipe welded joints in nuclear power plants

Structural response reconstruction method based on residual adaptive Kalman filtering

Effect of forming direction on cyclic plastic behavior near crack tip of additive manufacturing titanium alloy

Related Author

CHU ZhengKai

HU DongFang

XU ZeWei

PENG ZhenRui

ZHANG YaFeng

BAI Yu

Related Institution

Collaborative Innovation Center of Machinery Equipment Advanced Manufacturing of Henan Province,School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology

School of Mechanical Engineering, Lanzhou Jiaotong University

⁰