Автореферат (Разработка методики расчета камеры перспективного ЖРД на основе метода подконструкций)

На правах рукописиКороткая Ольга ВладимировнаРазработка методики расчета камерыперспективного ЖРД на основе метода подконструкций01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидататехнических наукМосква – 2017Общая характеристика работыАктуальность темы. Проектирование современных жидкостныхракетных двигателей (ЖРД) представляет собой актуальную и трудоемкуюзадачу,требующуюдлясвоегорешениясовершенствованиясуществующих и разработку новых эффективных методов расчета спривлечением возможностей современной вычислительной техники.

Напервый план выступает проблема разработки экономных математическихмоделей и расчетных методик, позволяющих решать не только задачианализа, но и подойти к решению задач синтеза конструкций,удовлетворяющих заданным требованиям. Особую важность представляетанализ термопрочностного состояния камер с учетом нелинейностипроцесса деформирования при циклическом нагружении конструкции.Основным способом, позволяющим дать достоверную оценкупрочности ЖРД, на сегодняшний день являются дорогостоящие стендовыеиспытания. Экспериментально установлено существование локальныхкритических зон конструкции, требующих уточненного и детальногорассмотрения. Вместе с тем, для расчетов камер жидкостных ракетныхдвигателей зачастую используются подходы, которые, по оценкамспециалистов, исчерпали свои возможности и уже не соответствуютсовременным требованиям.

К использованию упрощенных моделей как вдвух-, так и трехмерной постановке, не позволяющих с необходимойточностью оценить напряженно-деформированное состояние (НДС)конструкции, привела сложность и трудоемкость рассматриваемых задач.Внедрение в расчетную практику метода конечных элементовограничивается необходимостью использования моделей с высокойразмерностью, что связано с существенной трудоемкостью реализациидаже при решении задач анализа.При создании перспективных двигателей нового поколения одной изважных проблем является сокращение временных и финансовых затрат напроектирование двигателя, в связи с чем возникла необходимость созданиярасчетной методики, позволяющей не только сократить вышеуказанныезатраты, но и создать рациональную конструкцию на этапепроектирования.Учитывая вышеизложенное, задача разработки эффективных методик,позволяющих свести расчет НДС конструкции к последовательностирешения задач с существенно меньшей размерностью и пригодных дляанализа конструкций двигателей в режимах циклического нагружения,является актуальной.Цель и задачи работы.

Основной целью работы является созданиеэффективной комплексной методики, пригодной для расчета ипроектирования камеры жидкостного ракетного двигателя.1Для достижения поставленной цели потребовалось решитьследующие задачи:1. Критически проанализировать существующие подходы и методырасчета НДС камеры ЖРД с точки зрения эффективности ивозможности применения при проектировании перспективныхконструкций ЖРД.2. На основе метода подконструкций и учета свойств симметрииконструкции создать конечно-элементную модель и алгоритм расчета,пригодные для проведения нелинейного термопрочностного анализакамеры ЖРД согласно заданной многоэтапной последовательностирежимов работы.3.

Реализовать предложенную математическую модель и алгоритмрасчета в форме пакета прикладных программ для ЭВМ.4. Проверить эффективность методики и достоверность результатов,полученных с помощью разработанных программных средств,посредством сравнения с известными решениями и результатами.5. Применить разработанную методику для анализа камеры сгорания исопловой части инновационного ЖРД с кислородным охлаждением.Методы исследования.

Для разработки методики расчета камеры ЖРДприменялись классические подходы механики деформируемого твердоготела, современные методы математического анализа, позволяющиеснизить размерность задачи, современные подходы для алгоритмизации иреализации с использованием вычислительной техники.Научная новизна:1.

На основе программных комплексов ANSYS, pSeven и авторскихпрограмм разработана комплексная методика термопрочностногорасчета камеры жидкостного ракетного двигателя, учитывающаяфизическуюнелинейностьматериалаимногоэтапнуюпоследовательность режимов работы.2. Создан алгоритм уточненного расчета НДС критических зон камеры наоснове метода подконструкций и учета циклической симметриипроектируемой конструкции.3. Разработан алгоритм представления реальной конструкции со сложнойгеометриейввидеконструктивно-анизотропноймодели,реализованный в виде авторской программы расчета коэффициентованизотропии.4.

Разработана итерационная процедура определения рациональныхгеометрических параметров каналов охлаждения инновационного ЖРДс кислородным охлаждением, использующая последовательностьтермопрочностных расчетов представительного элемента.Достоверность результатов. Достоверность научных положений,выводов и рекомендаций работы обоснована:1.

Строгим использованием классических механических концепций.22. Использованием обоснованных математических моделей.3. Проверкой разработанных алгоритмов и программ на модельных итестовых задачах.4. Соответствием полученных численных результатов с данными,полученными другими авторами.5.

Сходимостью результатов на разных конечно-элементных сетках.Практическая ценность работы заключается в следующихрезультатах:1. Разработана конечно-элементная методика расчета НДС камерысгорания и сопловой части ЖРД с учетом физической нелинейностиматериалов для нескольких режимов работы.2. Разработан алгоритм и авторская программа для вычислениякоэффициентов анизотропии материала конструктивно-анизотропноймодели.3. По разработанной методике проведен термопрочностной расчеткамеры сгорания и сопловой части инновационного ЖРД.

Порезультатам расчета даны рекомендации.4. Разработанная методика позволяет создать рациональную конструкциюна этапе проектирования.5. Расчет по предложенной методике приводит к сокращению количестваогневых испытаний и, следовательно, времени и затрат припроектировании новых ЖРД.Реализация работы. Результаты диссертационной работы иразработанное программное обеспечение внедрены в учебный процессМГТУ им. Н.Э. Баумана и в расчетную практику РКК «Энергия» им.С.П. Королева.Апробация работы. Основные результаты и положения работыдокладывались и были одобрены на всероссийских и международныхнаучных конференциях:– XXIII Межд. симп.

«Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки,Жуковский р-н, 2017 г.);– Всерос. науч.-техн. конф. «Механика и математическоемоделирование в технике», посв. 100-летию со дня рождения В.И.Феодосьева (Москва, 2016 г.);– XXII Межд. симп. «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки,Жуковский р-н, 2016 г.);– VIII Межд. научный симп. «Проблемы прочности, пластичности иустойчивости в механике деформируемого твердого тела», посвященный85-летию профессора В.Г. Зубчанинова (Тверь, 2015 г.);– XXVII Межд.

Инновационно-ориентированная Конф. МолодыхУченых и Студентов «МИКМУС» (Москва, ИМАШ РАН, 2015 г.);3– Всерос. научн.-техн. конф. «Ракетно-космические двигательныеустановки», посв. 90-летию со дня рождения Заслуженных деятелей наукии техники РФ, лауреатов Государственной премии СССР, д.т.н.,профессоров Кудрявцева В.М. и Поляева В.М. и 185-летию Московскогогосударственного технического университета им. Н.Э. Баумана (Москва,2015 г.);– Итоговая научно-практическая конференция Всероссийскогоинженерного конкурса (ВИК) «Подготовка инженерных кадров в России:состояние и стратегические перспективы – взгляд молодых» (Москва,2015 г.);– XVI Всерос. науч.-техн.

конф. «Авиакосмические технологии» (АКТ2015) (Воронеж, 2015 г.);– Всерос. науч.-техн. конф., посв. 70-летию каф. Ракетных двигателейКазанского авиационного института (КАИ) (Казань, 2015 г.);– XXI Межд. симп. «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки,Жуковский р-н, 2015 г.);– ICAMAME 2014: International Conference on Aerospace, Mechanical,Automotive and Materials Engineering (Париж, Франция, 2014 г.);– XX Межд.

симп. «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки,Жуковский р-н, 2014 г.);– XIX Межд. симп. «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Ярополец,2013 г.);– Научному прогрессу - творчество молодых: межд. молодежная науч.конф.

по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола,2012 г.).Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 работы, из них 3,входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованныхВАК РФ, 1 статья в зарубежном научном издании, общим объемом10.41 п.л.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, выводов, списка литературы и приложения. Материалы исследованийизложены в работе на 166 страницах с 88 ил. и 13 табл.

Библиографияработы содержит 151 наименование. Приложение изложено на 41 страницес 16 ил. и 19 табл.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы, сформулирована цельнаучного исследования, научная новизна и практическая ценность работы,приведено краткое содержание работы по главам.4В первой главе приводится обзор и анализ литературных источников,посвященный истории развития и современному состоянию методовтермопрочностных расчетов камер жидкостных ракетных двигателей(Рис.

1), а также вопросу проектирования инновационного двигателя скислородным охлаждением.Рис. 1. Общий вид и типовая камера ЖРД: 1 – корпус; 2 – смесительнаяголовка; 3 – цилиндрическая часть; 4 – сопло; а – узел пояса завесы; б –узел подвода охладителя; в – узел крепления камеры.Остается открытым вопрос разработки методики точной оценкипрочностных характеристик камеры сгорания и сопловой части ЖРД. ВРоссии оценочные расчеты проводят, как правило, по методике,предложенной В.И. Феодосьевым и получившей развитие в работах егоучеников и последователей. Над развитием теории оболочек вращения ирасчетов камер ЖРД работали Л.И.

Балабух, В.И. Усюкин, Н.А. Алфутов,Г.Г. Гахун. Работы в направлении конечно-элементного моделированияЖРД ведутся в США (Price H.G., Kasper H.J., Naraghi M.H.), Германии(Kuhl D., Riccius J.), Индии (Asraff A.K., Sunil S., Babu A.), Китае (ChengCheng, Yibai Wang).Основной интерес при моделированиикамер ЖРД представляют каналы охлаждения,т.к. именно в них возникает, так называемый,эффект «собачьей конуры», т.е. утонениеогневой стенки вплоть до нарушения еецелостности (Рис. 2).

Стандартной конечноэлементной моделью для расчета камер ЖРДстала двумерная модель, охватывающаяполовину канала охлаждения и половину ребра.Рис. 2. УтонениеОдной из современных тенденций ракетноогневой стенки прикосмической техники является разработка ЖРДиспытаниях камерс кислородным беззавесным охлаждениемкамеры, работы над которым ведутся в РКК «Энергия» им С.П. Королева,в Reaction Engines Limited (Великобритания), DLR (Германский5аэрокосмический центр). Это один из примеров перспективныхконструкций, которые диктуют новые требования к методам оценкипрочности камер ЖРД. В частности, отсутствие поясов завес ииспользование жидкого кислорода в качестве охладителя камеры приводятк высоким температурным градиентам в стенках камеры, что необходимоучесть на этапе расчета и проектирования.Во второй главе приведены основные соотношения и методы,используемые для анализа НДС камер ЖРД.