Разработка и применение компьютерной технологии для численных исследований прочности, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Речкин, Вадим Николаевич

• Речкин, Вадим Николаевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Речкин, Вадим Николаевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ РАСЧЁТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ СЛОЖНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

1.1. Основные особенности и преимущества разработанной компьютерной технологии построения сложных расчётных моделей.

1.1.1. Особенности работы с CAD - геометрией и подготовки её поверхностной сетки в pro-surf.

1.1.2. Основные возможности и преимущества программы pro-FE для построения сложных расчётных моделей.

1.1.3. Разработка дополнительных специализированных программных средств для «адаптации» возможностей pro-FE к генерации сеток на моделях сложных типовых элементов двигателей.

1.1.4. Повышение эффективности процесса формирования граничных условий на дискретных моделях большой размерности.

1.1.5. Примеры КЭ моделей сложных узлов ГТД и особенности их построения для решения задач разного класса.

1.1.5.1. Модели заднего стоечного узла для расчета его прочности и устойчивости.

1.1.5.2. Модели заднего стоечного узла для расчета теплового и термонапряжённого состояний.

1.1.5.3. Модель ротора вентилятора для расчета статической и динамической прочности его элементов.

1.2. Преимущества использования разработанной технологии при расчетной оптимизации геометрии сложных элементов авиационных двигателей.

1.2.1. Особенности и преимущества использования технологии для подготовки расчетных сеток в процессе оптимизации конструктивных форм деталей.

1.2.2. Применение технологии для оптимизации конструктивных форм сложных элементов ГТД БаМ 146.

1.3. Выводы.

Глава 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ РОТОРА ВЕНТИЛЯТОРА ПРИ

НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

2.1. Анализ напряжённо-деформированного состояния различных конструктивных вариантов вентиляторной лопатки. Исследования сходимости результатов

2.1.1. Исходный вариант лопатки.

2.1.2. Модификация лопатки №1.

2.1.3. Модификация лопатки №2.

2.1.4. Модификация лопатки №3.'.

2.1.5. Анализ полученных результатов.

2.2. Анализ влияния аэродинамической нагрузки.

2.3. Расчет квазистатического НДС основных конструктивных элементов ротора при нормальных условиях эксплуатации.

2.3.1. Расчеты НДС на модели сектора ротора в 15°.

2.3.1.1. Расчеты на модели с зазорами.

2.3.1.2. Расчеты на модели без зазоров.

2.3.1.3. Сравнительный анализ полученных результатов.

2.3.2. Расчеты НДС на модели сектора ротора в 90°.

2.3.2.1. Расчет средствами А№>У8.

2.3.2.2. Расчет средствами Ь8-БУКА.

2.3.2.3. Сравнительный анализ полученных результатов.

2.4. Выводы

Глава 3. РАСЧЁТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И

УСТОЙЧИВОСТИ ЗАДНЕГО СТОЕЧНОГО УЗЛА (ЗСУ).

3.1. Расчеты стационарного теплового состояния.

3.1.1. Особенности проведения расчётов.

3.1.2. Разработка и использование программы для формирования полного температурного поля конструкции и его конвертирования на дискретные модели.

3.2. Разработка программы для автоматизации балансировки силовых нагрузок.

3.2.1. Особенности задания распределённых силовых нагрузок в расчётных моделях

3.2.2. Особенности расчётной балансировки нагрузок.

3.2.3. Разработка прикладной программы для автоматизации балансировки распределённых силовых нагрузок.

3.3. Численные исследования прочности и устойчивости конструкции.

3.3.1. Используемые программные средства и основные численные алгоритмы.

3.3.2. Исследования сходимости результатов численных расчётов при измельчении расчётной сетки

3.3.3. Исследования прочности.

3.3.4. Исследования устойчивости.

3.4. Выводы

Глава 4. РАСЧЁТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОЦИКЛОВОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗСУ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ ПО ПОЛЁТНЫМ ЦИКЛАМ.

4.1. Технология численного моделирования термонапряжённого состояния ЗСУ при нагружении по заданному полётному циклу.

4.1.1. Расчёты нестационарного теплового состояния.

4.1.2. Расчеты термонапряженного состояния на основе метода конечных элементов.

4.1.3. Анализ эффективности новой численной технологии на основе метода конечных объёмов для моделирования термонапряжённого состояния ЗСУ.

4.1.3.1. Генерация дискретных моделей.

4.1.3.2. Результаты численных расчетов и их анализ.

4.2. Технология расчёта малоцикловой долговечности.

4.2.1. Анализ исходных данных.

4.2.2. Описание расчётной методики.

4.2.3. Особенности программной реализации методики в программе FAN.

4.2.4. Результаты расчётов одного из вариантов конструкции.

4.2.4.1. Расчёты по программе FAN.

4.2.4.2. Аналитические расчёты для подтверждения полученных результатов.

4.2.4.3. Сравнительный анализ результатов.

4.3. Выводы.

Глава 5. РАСЧЁТ ПОДАТЛИВОСТИ ЗСУ И КОРПУСА ОПОРЫ

ПОДШИПНИКА.

5.1. Методология и программные средства расчета радиальной и угловой податливости.

5.1.1. Разработка программы для автоматизации распределения и задания нагрузок на расчётную модель.

5.1.2. Особенности расчёта перемещений контрольных точек модели.

5.1.3. Разработка программы для расчёта податливости

5.2. Результаты расчётов одного из вариантов конструкции.

5.3. Сравнение результатов расчётов с экспериментальными данными.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение компьютерной технологии для численных исследований прочности, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей»

Современный уровень развития вычислительной техники, численных методов и программных средств решения задач механики позволяет с приемлемой точностью моделировать напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкций при различных воздействиях. Однако, высокоточное численное решение стационарных и нестационарных задач нелинейного деформирования сложных конструктивных элементов авиационных двигателей (АД) с учётом образования пластических деформаций, геометрической нелинейности и контактного взаимодействия, по-прежнему, представляет собой весьма сложную практическую задачу. Это обусловлено, прежде всего, значительными трудозатратами на построение дискретных расчётных моделей большой размерности и обработку результатов расчётов, а также необходимостью использования современных вычислительных средств и эффективных расчётных технологий, без которых невозможно получить решение многих задач анализа прочности сложных элементов АД с высокой точностью. Кроме того, при проектировании сложных узлов АД со значительными трудностями связаны также выбор и обоснование комплекса учитываемых нагрузок, проведение расчётной оптимизации по массе, тщательный подбор геометрических размеров и материалов [1-7].

В настоящее время на отечественных предприятиях авиационного двигателестроения при проектировании и расчётном обосновании прочности различных изделий используется ряд современных коммерческих программных комплексов (ПК): АШУБ, АВАС^Ш, Ь8-БУЫА, МБСЛЧАЗТЯАЫ и др. Однако, опыт практического применения показывает, что эффективность использования этих программных средств для расчёта прочности сложных конструктивных элементов АД существенно зависит от «адаптации» численных технологий (способов генерации расчётных сеток, алгоритмов решения и средств обработки результатов) к рассматриваемому классу задач [7-12]. Новые компьютерные технологии, основанные на комплексном использовании различных программных средств и «адаптированные» к исследованиям прочности сложных узлов АД, позволяют повысить точность расчётов, существенно сократить сроки проектирования и сэкономить значительные материальные ресурсы. В работе [7] отмечается, что в соответствии с требованиями рынка сроки разработки новых двигателей гражданской авиации четвёртого и пятого поколений в ведущих фирмах мира уменьшены уже до 30 - 36 месяцев. При этом наметилась тенденция к сокращению числа двигателей, используемых для испытаний и доводки. Очевидно, что такие условия разработки АД возможны только при значительных преобразованиях в практике проектирования, охватывающих, как организацию работ и методы проектирования, так и используемые при этом расчётные технологии. За счёт внедрения новых методов проектирования и эффективных технологий численного моделирования физических процессов планируется в ближайшие годы сократить сроки проектирования АД не менее, чем на 40%-50% и на 15-60% производственные затраты. В связи с этим разработка и применение новых компьютерных технологий, а также совершенствование методических подходов для повышения эффективности расчётных исследований и проектирования сложных конструктивных элементов АД являются актуальными задачами и имеют важное практическое значение.

Для проведения численных исследований прочности сложных элементов АД с высокой точностью необходимо создавать их дискретные расчётные модели большой размерности и хорошего качества. Разработка таких моделей является важнейшим этапом решения задач, поскольку точность результатов расчёта во многом определяется качеством сетки. При этом временные затраты на построение сеток чаще всего значительно превосходят затраты на остальные этапы решения задач. Анализ информации по данному вопросу, частично представленной в работах [7,8,11,13] показывает, что в некоторых случаях из-за сложной геометрии элементов построение качественной расчётной сетки не представляется возможным на основе наиболее распространённых универсальных ПК. При этом вынужденно допускаются значительные упрощения в расчётных моделях или используются сетки плохого качества, что в большинстве случаев не позволяет выявить с приемлемой точностью действительный уровень и характер распределения параметров НДС в наиболее напряжённых зонах, а также приводит к ошибкам при решении задач. Это не позволяет также эффективно проводить расчётную оптимизацию геометрии сложных деталей на этапе проектирования. Работа на данном этапе усложняется, прежде всего, большой трудоемкостью перестраивания сеток с учетом необходимых изменений геометрии и повторного формирования граничных условий [7,9-11].

При выполнении численных исследований прочности, устойчивости и долговечности сложных элементов АД на основе расчётных моделей большой размерности достаточно трудоёмкими этапами работ являются также распределение, балансировка и задание комплекса нагрузок, а также обработка результатов расчётов. Для снижения трудозатрат возникает необходимость автоматизации этих этапов решения задач путём разработки специальных макросов или прикладных программ [10, 11]. Особое внимание при решении задач указанного класса приходится обращать на оптимизацию вычислительных процессов на располагаемых вычислительных ресурсах для сокращения времени выполнения работ, а также на дополнительные исследования возможностей вычислительной техники и используемых ПК [10].

Ещё одной актуальной проблемой на этапе проектирования современных АД является проблема прогнозирования малоцикловой долговечности их сложных, наиболее нагруженных элементов, поскольку ресурс относится к основным показателям качества, характеризующим степень совершенства конструкции и экономическую эффективность её эксплуатации [2,14-20]. Известно, что малоцикловая долговечность конструктивных элементов определяется ресурсом материала в наиболее напряжённых зонах с наибольшими темпами накопления повреждений, параметры которых могут сильно отличаться из-за различия свойств материалов, конструктивных и технологических особенностей, эксплуатационных условий и т.д. Поэтому современные методы расчёта малоцикловой долговечности сложных элементов АД должны предусматривать детальное и последовательное во времени исследование кинетики НДС в их наиболее напряженных зонах [7,8,14,21,22]. В настоящее время для сложных элементов АД это можно эффективно реализовать только на основе современных компьютерных технологий высокоточного моделирования процессов циклического неизотермического деформирования [5,8,10]. Кроме того, для эффективного проведения оптимизации конструктивных форм сложных деталей АД с целью уменьшения массы и удовлетворения критериям малоцикловой долговечности возникает необходимость в значительной автоматизации таких расчётов. Необходимо отметить, что экспериментальное исследование этих процессов является более трудозатратным, дорогостоящим и в последнее время применяется всё реже.

При разработке компаниями НПО «САТУРН» и «8песта» нового ГТД 8аМ146 для российского регионального самолёта 8ик1ю1 Бире^ среди прочих важных задач возникла необходимость проведения в короткий срок комплекса расчётных исследований прочности элементов ротора вентилятора, а также прочности, устойчивости и термоусталостной малоцикловой долговечности заднего стоечного узла (ЗСУ). Указанные конструктивные элементы являются сложными, весьма ответственными элементами двигателя и входят в список основных узлов, неисправность которых чаще всего является причиной отказов или нарушений эксплуатационных параметров ГТД по данным ИКАО [23]. Кроме того, двигатель 8аМ146 должен удовлетворять требованиям не только российских, но и международных авиационных норм, что предопределило значительное увеличение объёма расчётных работ на этапе проектирования для обоснования соответствия этим требованиям и сертификации.

ЗСУ является опорой ротора двигателя, сопрягаемой с корпусами турбины, камеры сгорания и выходного устройства. В процессе эксплуатации этот узел подвергается комплексному термосиловому воздействию высокотемпературного потока продуктов сгорания топлива и механических нагрузок. Взаимодействие с высокотемпературным потоком приводит к неравномерному нагреву конструкции, что вызывает значительные напряжения, действующие в совокупности с напряжениями от механических нагрузок. При нормальной (штатной) эксплуатации ЗСУ должен деформироваться упруго. В аварийной ситуации, возникающей, например, при обрыве лопатки вентилятора, реализуются предельные механические нагрузки на узел. В этих условиях допускается появление пластических деформаций в конструкции при сохранении её прочности и устойчивости. Кроме того, стоечный узел должен удовлетворять заданным требованиям по малоцикловой долговечности.

Расчёты квазистатического НДС элементов ротора вентилятора при нормальных условиях эксплуатации, когда эти элементы нагружены центробежными и аэродинамическими нагрузками, являются одними из первоочередных работ при проектировании. Для выявления особенностей деформирования и контактного взаимодействия элементов ротора в условиях нормальной эксплуатации, оценки их прочности и проведения оптимизации геометрии возникла необходимость в выполнении подробного расчётного анализа НДС конструкции.

Учитывая сложность геометрии и высокую стоимость изготовления ЗСУ проведение экспериментальных исследований его прочности для множества сценариев нагружения является крайне сложным и дорогостоящим. Для ротора вентилятора экспериментальным путём невозможно определить все особенности деформирования и контактного взаимодействия деталей, что необходимо в первую очередь для оптимизации их конструктивных форм. Проведение расчётов прочности и оптимизации геометрии таких сложных узлов на основе широко распространённых ПК также сопряжено со значительными трудозатратами на подготовку расчётных моделей большой размерности и проведение значительного объёма расчётов для различных вариантов конструкций и режимов нагружения. В связи с этим в ООО «Саровский инженерный центр» на основе современных программных средств разработана эффективная компьютерная технология, позволившая в рамках нескольких договоров с «НПО «САТУРН» выполнить большой объём работ по расчётному анализу прочности указанных элементов ГТД 8аМ146 в приемлемые сроки. На основе разработанной технологии эффективно выполнена также расчётная оптимизация конструктивных форм их элементов. При этом частично использовался лицензионный ПК А^УЗ, установленный на вычислительных ресурсах «НПО «САТУРН» и ЗАО «Саровские лаборатории».

В настоящее время элементы ротора вентилятора и ЗСУ в составе новых опытных двигателей прошли стендовые испытания в «НПО «САТУРН» и лётные в

ЛИИ им. М.М.Громова. Получено заключение о возможности летных испытаний в составе нового самолета [24]. Результаты комплекса проведенных расчётов частично включены в сертификационные отчёты для аттестации конструкции двигателя на соответствие требованиям EASA и АР МАК России. Двигатель уже получил соответствующие сертификаты типа [25].

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Цели диссертационной работы:

• разработка эффективной технологии генерации расчётных моделей и численных исследований прочности, устойчивости, податливости и малоцикловой долговечности сложных элементов АД, позволяющей снизить трудозатраты, сократить сроки проведения комплексных расчётов и повысить их точность;

• применение разработанной технологии для проектирования и расчётного обоснования прочности ЗСУ и ротора вентилятора нового ГТД SaM146.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие основные задачи:

- проанализировать возможности современных программных средств генерации расчётных сеток для задач анализа прочности и выявить наиболее подходящие из них применительно к элементам АД; разработать эффективную технологию построения расчётных моделей сложных элементов АД и оптимизации их конструктивных форм;

- построить высокоточные расчётные модели указанных элементов ГТД SaM146 для проведения расчётов прочности; обосновать выбор параметров расчётных моделей и комплекса учитываемых нагрузок;

- на задачах численного моделирования квазистатического НДС ротора вентилятора выполнить сравнительный анализ эффективности различных методов решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), а также методов моделирования контактного взаимодействия в ПК ANS YS;

- исследовать эффективность новой расчётной технологии на основе метода конечного объёма (МКО), реализованного в ПК STAR ССМ+, для моделирования термонапряжённого состояния сложной конструкции ЗСУ по сравнению с традиционной «конечно-элементной» технологией;

- выбрать методику расчёта малоцикловой долговечности ЗСУ с учётом специфики нагружения и ограниченного объема экспериментальных данных по свойствам материала;

- разработать прикладные программы для автоматизации задания и балансировки нагрузок на моделях большой размерности, расчёта податливости и малоцикловой долговечности ЗСУ, а также обработки результатов;

- исследовать сходимость результатов численных расчётов НДС указанных элементов при сгущении сеток и подтвердить их достоверность на основе сопоставления расчётных данных, полученных в различных ПК, между собой и с данными экспериментов;

- оптимизировать геометрию ЗСУ и деталей ротора вентилятора, а также провести расчётные исследования прочности оптимизированных вариантов.

Для решения поставленных задач использовались следующие современные методы и программные средства:

- программа pro-surf для редактирования CAD-геометрии и подготовки ее поверхностной сетки;

- программа pro-FE и разработанные автором на её внутреннем параметрическом языке дополнительные программные средства для построения конечно-элементных моделей (КЭМ);

- прикладные программы, написанные автором на языке программирования Absoft Fortran v.9.0, для автоматизации формирования граничных условий, балансировки и задания нагрузок на дискретных моделях, расчёта податливости и малоцикловой долговечности ЗСУ, обработки результатов расчётов;

- метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в ПК ANSYS, LS-DYNA и ABAQUS для расчёта параметров нагружения и решения задач прочности и устойчивости;

- метод конечных объемов, реализованный в ПК STAR-CD и STAR ССМ+, для расчёта теплового и напряжённо-деформированного состояний;

- методы экспериментального исследования прочности и податливости ЗСУ.

Научная новизна результатов выполненной работы:

1. Разработана эффективная технология построения дискретных моделей сложных элементов АД для расчётного анализа прочности, позволяющая обеспечить высокое качество дискретизации моделей.

2. На основе численных экспериментов по расчёту НДС ротора вентилятора ГТД SaM146 выявлены оптимальные для такого класса задач методы решения СЛАУ и моделирования контактного взаимодействия в ПК ANSYS и выполнен анализ их эффективности по сравнению с аналогичными методами в ПК LS-Dyna.

3. Исследована эффективность применения нового подхода на основе МКО, реализованного в ПК STAR ССМ+, для моделирования термонапряжённого состояния ЗСУ ГТД SaM146 и выявлено, что такой подход позволяет решать задачу в целом на порядок быстрее, чем технология, основанная на МКЭ.

4. Исследована сходимость результатов решения нелинейных статических задач определения НДС элементов ротора и ЗСУ путём сгущения сеток и выявлена оптимальная степень пространственной дискретизации их моделей.

5. Выполнен анализ влияния на НДС элементов ротора вентилятора заданных контактных условий, начальных зазоров между деталями и аэродинамических нагрузок.

6. Исследованы особенности деформирования различных модификаций конструкции ЗСУ при максимальных эксплуатационных и аварийных нагрузках, а также влияние на её НДС изменения условий закрепления конуса.

Практическая ценность диссертации.

1. Построены высокоточные КЭМ ротора вентилятора и нескольких модификаций ЗСУ ГТД SaM146 для проведения расчётов прочности.

2. Обоснована прочность элементов ротора вентилятора при нормальных условиях эксплуатации и оптимизирована геометрия некоторых его деталей.

3. Выполнены численные исследования прочности, устойчивости, податливости и малоцикловой долговечности различных модификаций сложной конструкции ЗСУ на полных моделях для наиболее «тяжёлых» сценариев нагружения аварийными и максимальными эксплуатационными нагрузками; спроектирован оптимальный вариант конструкции, удовлетворяющий и весовым ограничениям, и заданным требованиям по прочности.

4. Выявленные оптимальные методы решения СЛАУ и моделирования контактного взаимодействия в ПК ANSYS позволили решать задачи расчёта НДС ротора вентилятора на КЭМ значительно большей размерности, сократить сроки исследований и повысить точность расчётов.

5. Результаты диссертационной работы использованы при разработке ГТД SaM146 в ОАО «НПО «САТУРН» и частично включены в состав сертификационных отчётов для сертификации двигателя в соответствии с требованиями EASA и АР МАК России. Разработанная компьютерная технология используется в ООО «Саровский инженерный центр» и ОАО «НПО«САТУРН» для расчётов прочности сложных элементов АД.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Технология эффективной генерации дискретных моделей сложных элементов АД для решения задач анализа их прочности.

2. Технология моделирования теплового и напряженно-деформированного состояний, а также расчёта податливости, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов АД, позволяющая значительно сократить сроки проектирования и расчётных исследований, получить результаты на полных моделях и за счёт этого повысить точность расчётов.

3. Результаты исследований эффективности моделирования термонапряженного состояния сложной конструкции ЗСУ ГТД SaM146 на основе МКО, реализованного в ПК STAR ССМ+, по сравнению с наиболее распространённым подходом, основанным на МКЭ.

4. Результаты оптимизации и численных исследований прочности, устойчивости, податливости и малоцикловой долговечности конструкции ЗСУ при действии максимальных эксплуатационных и аварийных нагрузок, а также прочности и особенностей контактного взаимодействия элементов ротора вентилятора ГТД SaM146 при нормальных условиях эксплуатации.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается строгой математической постановкой рассматриваемых задач механики квазистатического деформирования конструкций, проведёнными исследованиями сходимости решений, сопоставлением численных результатов, получаемых на основе апробированных ПК, и сравнением их с результатами экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

- 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference «The impulse to Explore -Igniting a Passion for Space» Sacramento CA, USA, 9-12 July 2006;

- II— международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», Нижний Новгород, ННГУ им. H.H. Лобачевского, 11-13 Мая 2007г.;

- VII— научно-техническая конференция «Молодежь в науке», Саров, РФЯЦ -ВНИИЭФ, 28-30 октября 2008г.;

- III- международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», Нижний Новгород, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 14-16 Мая 2008г.;

- IV— международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», Нижний Новгород, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 12-13 Мая 2009г.;

- III- международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN 2009», Москва, 12-15 октября 2009г.;

- VIII— международная конференция «Авиация и космонавтика-2009», Москва, МАИ, 26-29 октября 2009г.;

- III- международная научно-техническая конференция «Авиадвигатели XXI века», Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, 30 ноября - 03 декабря, 2010г;

- XIII— международный семинар «Супервычисления и математическое моделирование», Саров, РФЯЦ - ВНИИЭФ, 3-7 октября 2011г.;

- научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике-2012», Москва, МАИ, 17-20 апреля 2012г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК, - 2. Отдельные результаты расчётных исследований отражены также в отчётах по проведённым научно-исследовательским работам.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 167 страницах, содержит 72 рисунка и 23 таблицы. Список литературы включает 116 наименований литературных источников российских и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Речкин, Вадим Николаевич

5.4. Выводы

1. Разработана компьютерная технология проведения расчётов радиальной и угловой податливости ЗСУ ГТД. С целью оптимизации выполнения расчётов в рамках этой технологии созданы специальные прикладные программы, позволяющие автоматизировать все этапы расчётов, повысить точность решений и существенно сократить трудозатраты.

2. На основе разработанной технологии выполнены численные расчёты радиальной и угловой податливости различных вариантов конструкции ЗСУ и присоединяемого к нему корпуса опоры подшипника для ГТД 8аМ146 с учётом их теплового состояния в различных временных сечениях заданного полетного цикла для условий полностью изношенного двигателя. Работоспособность технологии продемонстрирована результатами расчётов податливости только для одного из вариантов конструкции.

3. Показано, что полученные результаты численных расчётов хорошо согласуются с результатами экспериментов. Это является подтверждением работоспособности разработанной компьютерной технологии и достоверности полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выявлены наиболее подходящие программные средства и разработана компьютерная технология эффективной генерации расчётных моделей сложных элементов авиационных двигателей для решения задач прочности. Применение данной технологии позволяет сократить время построения сеточных моделей и обеспечить высокое качество пространственной дискретизации при детальном описании всех конструктивных особенностей. На основе этой технологии построены высокоточные КЭМ различных модификаций конструкции ЗСУ и ротора вентилятора ГТД SaM146 для проведения расчетных исследований их прочности.

2. Разработана эффективная технология численного моделирования теплового и напряженно-деформированного состояний, а также расчёта податливости, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей, основанная на комплексном использовании различных программных средств и позволяющая значительно сократить сроки проектирования и расчётных исследований, провести комплексные расчёты на полных моделях и повысить их точность.

3. На основе численных экспериментов по расчёту квазистатического НДС ротора вентилятора ГТД SaM146 выявлены оптимальные для такого класса задач методы решения СЛАУ и моделирования контактного взаимодействия в ПК ANSYS и выполнен анализ их эффективности по сравнению с аналогичными методами в ПК LS-Dyna. Выявленные методы позволили решать задачи большей размерности, сократить сроки расчётов и повысить их точность.

4. Исследована эффективность применения нового подхода на основе метода конечных объёмов, реализованного в ПК STAR ССМ+, для моделирования термонапряжённого состояния сложной конструкции ЗСУ ГТД SaM146 и выявлено, что такой подход позволяет решать задачу в целом на порядок быстрее, чем технология, основанная на методе конечных элементов.

5. Смоделировано квазистатическое НДС ротора вентилятора ГТД SaM146 и выполнена оптимизация конструктивных форм некоторых его деталей. Изучено влияние начальных зазоров, нелинейных контактных условий и аэродинамических нагрузок на НДС деталей ротора, а также обоснована их прочность при нормальных условиях эксплуатации.

6. Выполнены расчёты прочности, устойчивости, податливости и малоцикловой долговечности различных модификаций конструкции ЗСУ ГТД SaM146 для наиболее «тяжёлых» сценариев нагружения аварийными и максимальными эксплуатационными нагрузками. На основе анализа результатов проведённых исследований спроектирован оптимальный вариант конструкции, удовлетворяющий и весовым ограничениям, и заданным требованиям по прочности. В результате расчётной оптимизации удалось уменьшить вес конструкции почти на 13 кг, а также значительно снизить максимальные значения параметров НДС в наиболее нагруженных зонах. Получено экспериментальное подтверждение результатов расчётов прочности и податливости конструкции ЗСУ.

Дополнительные исследования влияния на НДС модели изменений краевых условий выявили преимущество конструктивного варианта, обеспечивающего проскальзывание торцовых поверхностей бобышек ЗСУ относительно фланца конуса в радиальном направлении. При этом реализуется почти трехкратное снижение максимального уровня деформаций в областях сопряжения стоек с задним фланцем втулки ЗСУ.

7. Результаты диссертационной работы успешно внедрены в ОАО «НПО «САТУРН» при разработке нового ГТД 8аМ146 и частично включены в состав сертификационных отчётов для сертификации двигателя в соответствии с требованиями ЕА8А и АР МАК России. Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующим актом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Речкин, Вадим Николаевич, 2012 год

1. Иноземцев A.A. и др. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: Учеб./ A.A. Иноземцев, М.А. Нихамкин, B.JT. Сандрацкий. М.: Машиностроение, 2008. - Т.1. - 201с.: ил. - (Серия: Газотурбинные двигатели).

2. Иноземцев A.A. и др. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб./ A.A. Иноземцев, М.А. Нихамкин, B.J1. Сандрацкий. М.: Машиностроение, 2008. - Т.З. - 227с.: ил. - (Серия: Газотурбинные двигатели).

3. Шереметьев A.B., Прибора Т.И. Использование компьютерного моделирования при проектировании дисков компрессоров авиационных ГТД // Вестн. двигателестроения. -2006. №2. - С. 32-37.

4. Муравченко Ф.М., Шереметьев A.B. Об особенностях прочностной доводки современных АГТД на заданный ресурс // Авиац.- косм, техника и технология. -1999.-Вып. 9.-С. 5-9.

5. Муравченко Ф.М. Актуальные проблемы динамики, прочности и надёжности авиадвигателей // Проблемы прочности. 2008. - №5 (395). - С. 7-15.

6. Скибин В.А., Солонин В.И., Дульнев P.A. Перспективы развития газотурбинных двигателей // Газотурбинные технологии. 2000. - №2. - С. 4-8.

7. Машиностроение: Энциклопедия в 40 томах / Ред. совет К.В. Фролов. М.: Машиностроение, 2010. Т. IV - 21: Самолёты и вертолёты, Кн. 3. Авиационные двигатели. Раздел IV. Расчет и конструирование машин / Отв. ред. К.С. Колесников. - 720 с,: ил.

8. Karimbaev K.D., Servetnik A.N. Low-Cycle Fatigue Calculation of Gas Turbine Engine Disks under Flight Cycle Conditions // Problems of Strength. 2009. - №1,- P. 129-133.

9. Ю.Рябов A.A., Романов В.И., Речкин В.Н., Шмотин Ю.Н., Веселов A.B. Компьютерный анализ прочности, устойчивости и долговечности заднего стоечного узла газотурбинного двигателя // Известия вузов. Авиационная техника. -2011.-№4-С. 4-8.

10. Великанова Н.П., Киселёв A.C. Определение статической прочности рабочих лопаток турбины авиационного ГТД и сравнение различных методов расчёта // Изв. вузов. Авиационная техника. 2009. - №3. - С.36-39.

11. И.Великанова Н.П., Ботвина Л.Р., Окатова Г.П. Расчётно-экспериментальное исследование дефектов малоцикловой усталости дисков турбин авиационных ГТД большого ресурса // Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. - №4. - С.34-37.

12. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД / А.Н. Петухов. М.: Машиностроение, 1993. - 232с.

13. Сиротин H.H. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей (основы конструирования) / H.H. Сиротин. М.: ИМ-ИНФОРМ, 2002. - 440 с.

14. Нихамкин М.Ш. и др. Снижение усталостной прочности лопаток компрессора ГТД при повреждении посторонними предметами // Авиационная промышленность. 2008. - №1. - С. 21 - 24.

15. Трощенко В.Т. Рассеянное усталостное повреждение металлов и сплавов. Сообщение 3. Деформационные и энергетические критерии // Проблемы прочности. 2006. - №1. - С. 1 - 31.

16. Трощенко В.Т., Стрижало В.О., Бородий М.В. Оценка долговечности металлических материалов в рамках деформационного критерия малоцикловой усталости // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2008. - №4. -С. 14-25.

17. Гусенков А.П., Котов П.И. Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении / А.П. Гусенков, П.И. Котов. М.: Машиностроение, 1983. - 242 с.

18. Бобырь Н.И., Яхно Б.О., Грабовский А.П. Повреждённость конструкционных материалов при сложном малоцикловом нагружении // Проблемы прочности. -2007. №6.-С. 25 - 35.

19. Гусенков А.П., Котов П.И. Длительная и неизотермическая малоцикловая прочность элементов конструкций / А.П. Гусенков, П.И. Котов. М.: Машиностроение, 1988.-264с.

20. SaM146 / SSJ100 этапы программы. // Журнал научно-производственного объединения «САТУРН». 2010.- №12. - С.8-15.

21. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности: Пер. с англ.- М.: Мир, 1987.- 542 с.

22. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. / Р. Галлагер. М.: Мир, 1984.-428 с.

23. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. / O.K. Зенкевич.- М.: Мир, 1975.- 541 с.

24. Зенкевич O.K., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. / O.K. Зенкевич, К. Морган. М.: Мир, 1986. - 318 с.

25. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред / Дж. Оден.- М.: Мир, 1976.- 464с.

26. Расчёты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И.Мяченков, В.П.Мальцев, В.П.Майборода и др; Под общ. ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.

27. Бате Н., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. Пер. с англ. / Н. Бате, Е. Вилсон.- М.: Стройиздат, 1982.

28. Рычков С.П. MSC.visualNASTRAN для Windows / С.П.Рычков. М.: НТ Пресс, 2004. - 552с.34. http://www.ansys.ru.

29. Pro-FE, v. 3.26. Software Package, CD-adapco, NY, 2006.36. http://www.cd-adapco.com.

30. Pro-surf, ver. 3.26.003, CD-adapco, NY, 2006.

31. Черепашков A.A., Носов H.B. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машиностроении / A.A. Черепашков, Н.В. Носов. -Волгоград: Издательский дом «Ин-Фолио», 2009. 640 с.

32. Рябов A.A., Речкин В.Н. Обзор возможностей специализированного программного модуля pro-surf // Молодежь в науке: Сборник докладов седьмой научно-технической конференции (28-30 октября 2008 г.), Саров, 2009. - С.550-557.

33. Перельмутер A.B., Сливкер В.И. Расчётные модели сооружений и возможность их анализа. М.: ДМК Пресс, 2007. - 600 е., ил. (Серия «Проектирование»).

34. Чернов А.Н., Плыкин М.Е. Использование технологии ANSYS Workbench для генерации конечно-элементных сеток. // САПР и графика.- №1. 2005. - С. 12-17.

35. Ерофеев М.М. Принцип построения структурированной гексаэдрической сетки в ANS YS. //САПР и графика,- 2008,- №12. С.108-110.

36. Басов К. А. ANS YS: Справочник пользователя / К. А. Басов. М.: ДМК Пресс,2005. 642с.44. http://fsapr2000.ru/lofiversion/index.php/t40008.html

37. Разработка методики расчётов на осевое удержание лопатки вентилятора SaM146: Отчёт о НИР (заключит.). / ЗАО "Саровские лаборатории": Руководитель работы А.А. Рябов. Инв. №11-04-05. Саров, 2006. 112 с.

38. Оценка прочности, устойчивости и длительности жизненного цикла заднего стоечного узла двигателя SaM146: Отчёт о НИР (промежут.). / ЗАО "Саровские лаборатории": Руководитель работы А.А. Рябов. Инв. № 11-06-01. Саров, 2005. -260 с.

39. Анализ прочности, устойчивости и малоцикловой усталости заднего стоечного узла двигателя SaM146: Отчёт о НИР (заключит.) / ЗАО "Саровские лаборатории": Руководитель работы А.А. Рябов. Инв. № 11-06-03. Саров, 2006. 192 с.

40. Оптимизация заднего стоечного узла двигателя SaM146 для повышения длительности жизненного цикла: Отчёт о НИР (заключит.). / ЗАО "Саровские лаборатории": Руководитель работы А.А. Рябов. Инв. № 11-10-01. Саров, 2006. -109 с.

41. Оценка прочности и длительности жизненного цикла оптимизированной конструкции заднего стоечного узла (ЗСУ) двигателя SaM146: Отчёт о НИР (заключит.). / ООО "СИНЦ": Руководитель работы А.А. Рябов. Инв.№11-13-01. Саров, 2007.-380с.

42. Оценка прочности, устойчивости и выносливости оптимизированной конструкции заднего стоечного узла (ЗСУ) SaM146: Отчёт о НИР (заключит.). / ООО "СИНЦ": Руководитель работы А.А. Рябов. Инв.№11-16-01. Саров, 2008. 753с.

43. Гилл Ф. и др. Практическая оптимизация / Ф. Гилл, У. Мюррей, М. Райт. М.: Мир, 1985. - 509с.

44. Хог Э., Арора Я. Прикладное оптимальное проектирование: Механические системы и конструкции: Пер. с англ. / Э. Хог, Я. Арора. М.: Мир, 1983. - 478с.

45. Автоматизация проектирования авиационных конструкций на базе МКЭ. САПР РИПАК. / В.А. Комаров, В.П.Пересыпкин, Е.А.Иванова и др. деп. в ВИНИТИ 23.051984 г. №3709-84.

46. ANSYS, v 8.0. Software Package, ANSYS Inc., 2005.

47. LS-DYNA, ver. 970. Software Package, Livermore Software Technology Corporation,2003.

48. Евзеров И. Д. Оценки погрешности по перемещениям при использовании несовместных конечных элементов // Численные методы механики сплошной среды, Том. 14,- №5. С.24-31

49. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов / Г. Стренг, Дж. Фикс. -М.: Мир, 1977.-349 с.

50. Марчук Г.И., Шайдуров В.В. Повышение точности решений разностных схем / Г.И. Марчук, В.В. Шайдуров. М.: Наука, 1979. -320с.

51. Шварцман Б.С. Экстраполяционный метод нахождения численных решений с заданной точностью // Строительная механика и расчёт сооружений. Сб. тр. СПбГТУ, 1992. С.157-162.

52. ANSYS, Software Package, ver. 9.0, ANSYS Inc., 2006.

53. STAR-CD, Software Package, Ver. 3.24, CD-adapco, London, 2004.

54. Качанов JI.M. Основы теории пластичности / Л.М. Качанов. М.: Наука, 1969. -420с.

55. Филин А.П. Прикладная механика твёрдого деформируемого тела. Т.1. / А.П. Филин. М.: Наука, 1975. - 832с.

56. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов втузов / H.H. Малинин. М.: Машиностроение, 1968. - 400с.

57. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твёрдого тела / Ю.Н. Работнов. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - 744с.

58. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем: Современные концепции, парадоксы и ошибки / Я.Г. Пановко, И.И. Губанова. 4-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1987.-352с.

59. Алфутов H.A. Основы расчёта на устойчивость упругих систем / H.A. Алфутов.- 2-е изд., перераб., доп.- М.: Машиностроение, 1991. 336 с. (Биб-ка расчетчика)

60. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. / Р. Галлагер. М.: Мир, 1984.-428с.

61. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин / А.Г. Костюк. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 476с.

62. Когаев В.П. и др. Расчёты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник / В.П. Когаев, H.A. Махутов, А.П. Гусенков М.: Машиностроение, 1985.-224с.

63. Ferguson S. Flow, Thermal, Stress. Simulation in STAR-CD v4 // Dynamics. 2007. -27.-P.4-5.

64. Robb D. Eliminating heat stress failures in industrial turbines // Dynamics. 2009. -issue 3.01.-P.45-48.

65. STAR CCM+, v. 4.04.011. Software Package, CD-adapco, NY, USA.

66. ABAQUS, v.6.9. Software Package, Dassault Systemes Simulia Corp., Providence, RI, USA.

67. ABAQUS v.6.9 Documentation.

68. STAR CCM+ v. 4.04.011 Documentation.

69. Романов A.H. Разрушение при малоцикловом нагружении / А.Н. Романов. М.: Наука, 1988.-279 с.

70. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении. / H.A. Махутов, А.З. Воробьев, М.М. Гаденин и др. -М.: Наука, 1983. 270с.

71. Стрижало В.А. Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур / В.А. Стрижало. К.: «Наук, думка», 1978. - 238с.

72. Махутов H.A. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: в 2 ч. / Отв. ред. К.В. Фролов, В.В. Москвичёв. Новосибирск.: Наука, 2005,- 4.1: Критерии прочности и ресурса. - 493 е.- 4.2: Обоснование ресурса и безопасности. -610 с.

73. Казанцев А.Г. К расчёту малоцикловой усталости при непропорциональных режимах нагружения // Проблемы прочности. 1989. - № 6. - С. 31 - 36.

74. Ребяков Ю.Н., Гохфельд Д.С., Садаков О.С. Циклическое упрочнение в связи с предысторией деформаций и оценка долговечности // Труды Всес. симпоз. "Малоцикловая усталость",- Кишинев, 1991.

75. ГОСТ 25.504 82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости.

76. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. / Дж. Коллинз. М.: Мир, 1984. - 624с.

77. Порошин В.Б. Влияние формы цикла деформирования на накопление повреждения при различных типах малоциклового нагружения с выдержками // Проблемы прочности,- 1988,- N 1. С.38-43.

78. ГОСТ 25.101 83. Расчёты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов.

79. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В.П. Когаев. М.: Машиностроение, 1993. - 364 с.

80. Palmer G. and Smith G.C. Some aspects of ductile fracture in metals, Physical basis of yield and fracture, pp. 53-59. Inst, of Phys., and Phys. Soc. Conf, series 1, Oxford (1966).

81. Трощенко В.Т., Сосновский JI.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов / В.Т. Трощенко, Л.А. Сосновский. 4.1.- Киев: Наукова думка, 1987. - 520 с.

82. Бартеньев О.В. Современный Фортран / О.В. Бартеньев. 2-е изд., испр. - М.: "ДИАЛОГ-МИФИ", 1998.-397с.

83. Бахвалов Н.С. и др. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. 5-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 636с.

84. Гохфельд Д.А. Уравнения состояния при малоцикловом нагружении / Д.А. Гохфельд.- М.: «Наука», 1981. 244 с.

85. Мэнсон С.М. Температурные напряжения и малоцикловая усталость / С.М. Мэнсон. М.: Машиностроение, 1975. - 344с.

86. Багмутов В.П., Савкин А.Н. Оценка ресурса деталей машин при блочном нагружении // Проблемы машиностроения и надёжности машин.- 2007. №2. - С. 116-122.

87. Гусенков А.П., Котов П.И. Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении / А.П. Гусенков, П.И. Котов,- М.: Машиностроение, 1983. 240с.

88. Порошин В.Б., Садаков О.С., Цукерман Б.Л. Оценка малоцикловой прочности элементов конструкций на основе макромоделирования / Конструкционная прочность двигателей: Тез. докл. XII Всес. научно техн. конф.- Куйбышев: КПИ, 1990. - С.115-116.

89. Прочность при малоцикловом нагружении. Основы методов расчета и испытаний / С. В. Серенсен, Р. М. Шнейдерович, А. П. Гусенков и др. М.: Наука, 1975.-286 с.

90. Шаняковский A.A. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций: Монография / A.A. Шаняковский. Уфа: Изд-во науч.-техн. лит. -2003.-802 с.

91. Иноземцев A.A. и др. Динамика и прочность авиационных двигателей и энергетических установок / А.А Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий . -М.: Машиностроение, 2008. 204с.

92. Добровольский С.В. Обобщенный метод оценки поверхностного эффекта при расчетах на малоцикловую прочность // Вестник машиностроения.- 1999.- № 12. -С. 17-20.

93. Добровольский С.В. Методы оценки влияния конструктивной концентрации напряжений на малоцикловую прочность // Вестник машиностроения,- 2000.- № 6. С. 19-24.

94. Биргер И.А. и др. Расчёт на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

95. Каплун А.Б. и др. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272с.

96. Клебанов Я.М. и др. Современные методы компьютерного моделирования процессов деформирования конструкций: Учебное пособие / Я.М. Клебанов, В.Г. Фокин, А.Н. Давыдов. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2004. - 100с.

97. Чигарев A.B. и др. ANSYS для инженера. Справочное пособие / A.B. Чигарев, A.C. Кравчук, А.Ф. Смалюк. М.: Машиностроение, 2004. - 496 с.