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

Московский Государственный технический университетимени Н.Э. Баумана____________________________________________________________________________На правах рукописиКороткая Ольга ВладимировнаРАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КАМЕРЫ ПЕРСПЕКТИВНОГОЖРД НА ОСНОВЕ МЕТОДА ПОДКОНСТРУКЦИЙДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наук01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыНаучный руководитель:д.т.н., профессорГаврюшин С.С.Москва, 20172СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................

5ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСВЯЩЕННОЙРАСЧЕТУ НА ПРОЧНОСТЬ КАМЕР ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХДВИГАТЕЛЕЙ .......................................................................................................... 121.1. Упрощенные расчеты и экспериментальные исследования ..................... 141.2. Разработка численных методик для оценки прочности камер сгорания 151.3.

Новые требования к перспективным расчетным моделям в связи споявлением многоразовых ракетных двигателей ............................................... 181.4. Проблема трехмерных расчетов .................................................................. 261.5. Инновационный двигатель с кислородным охлаждением ....................... 321.5.1. История создания двигателя с кислородным охлаждением .................

331.6. Выводы по главе 1 ........................................................................................ 43ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ИСОПЛОВОЙ ЧАСТИ ЖРД И ИХ ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ................... 442.1. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания .................................................................................................................. 452.1.1. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания без учета осевой силы ........................................................................ 462.1.2. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания с учетом осевой силы......................................................................... 492.2.

Последовательное квадратичное программирование с ограничениями. 522.3. Метод конечных элементов ......................................................................... 532.3.1. Стационарная задача теплопроводности. Разрешающее уравнениеМКЭ. .................................................................................................................... 532.4. Метод подконструкций (подмоделей) ........................................................ 612.5. Циклическая симметрия ...............................................................................

622.6. Выводы по главе 2 ........................................................................................ 643Стр.ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИПРОЧНОСТИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И СОПЛОВОЙ ЧАСТИ ЖРД ................ 653.1. Выбор оптимальных геометрических параметров ребер и каналовохлаждения ............................................................................................................. 673.1.1. Поиск рациональных значений геометрических параметров трактаохлаждения плоской модели .............................................................................

673.1.2. Поиск рациональных значений геометрических параметров трактаохлаждения 3-D модели ..................................................................................... 723.2. Уточненный поверочный расчет методом подконструкций .................... 743.2.1. Расчет коэффициентов анизотропии ...................................................... 773.2.2. Этап расчета по схеме осесимметричной оболочки .............................

833.2.3. Этап расчета подконструкций ................................................................. 843.3. Программный комплекс ANSYS ................................................................. 843.3.1. Типы конечных элементов .......................................................................

853.4. Выводы по главе 3 ........................................................................................ 87ГЛАВА 4. ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ............................. 894.1. Сравнение результатов, полученных по разработанной методикематематического моделирования с результатами, полученными по методикеВ.И. Феодосьева ..................................................................................................... 894.1.1. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания ...............................................................................................................

894.1.2. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания с высокими температурными градиентами ..................................... 934.2. Сравнение результатов, полученных на разных конечно-элементныхсетках....................................................................................................................... 964.3. Выводы по главе 4 ........................................................................................ 984Стр.ГЛАВА 5. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯОПЫТНОГО ОБРАЗЦА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И СОПЛОВОЙ ЧАСТИМНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО МАРШЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ СКИСЛОРОДНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ .................................................................... 995.1. Постановка задачи ........................................................................................

995.2. Исходные данные для расчета НДС оболочки камеры ЖРД ................. 1015.2.1. Геометрия камеры и свойства материалов ........................................... 1015.2.2. Граничные условия на перемещения .................................................... 1025.2.3. Температурное состояние камеры ........................................................ 1025.2.4. Давление газа и охладителя ................................................................... 1025.3. Выбор оптимальных параметров .............................................................. 1035.3.1.

Поиск рациональных значений геометрических параметров трактаохлаждения плоской модели ........................................................................... 1035.3.2. Поиск рациональных значений геометрических параметров трактаохлаждения 3-D модели ................................................................................... 1045.4. Уточненный поверочный расчет ............................................................... 1105.4.1. Расчет коэффициентов анизотропии .................................................... 1115.4.2.

Упрощенная схема осесимметричной оболочки. Определениеперемещений ..................................................................................................... 1175.4.3. Расчет подконструкций .......................................................................... 1265.5.

Выводы по главе 5 ...................................................................................... 146ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ ............... 148СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................... 149Приложение ............................................................................................................. 1675ВВЕДЕНИЕАктуальность проблемыОбеспечениеэффективности, надежностиибезопасностимашин,приборов и аппаратуры является первоочередной задачей [52].Одной из наиболее актуальных задач на сегодняшний день являетсяразработка методик математического моделирования поведения сложныхтехнических объектов, примером является камера жидкостного ракетногодвигателя (ЖРД).Опытпоказывает,чтоводинаковойстепениваженанализработоспособности конструкции как с позиции исследования напряжений, так ис позиции исследования деформаций.

Расчет напряженно-деформированногосостояния камеры сгорания и сопловой части ЖРД имеет большоепрактическое значение [56].Оценку прочности ЖРД на сегодняшний день проводят посредствомдорогостоящихстендовыхиспытаний.Использованиематематическогомоделирования с помощью современных конечно-элементных комплексовпозволит эффективно провести анализ и синтез камеры ЖРД, существенноснизив объем экспериментальных исследований [69] и повысить надежностьконструкции. Вместе с тем, реализация метода конечных элементов напрямуюприводит к необходимости анализа громоздких конечно-элементных моделей ииспользованию суперкомпьютеров.

Актуальной становится необходимостьразработкиметодики,позволяющейсвестианализнапряженно-деформированного состояния к решению задач с существенно меньшейразмерностью.Сегодняработывнаправленииконечно-элементногомоделирования ЖРД ведутся в Германии [119, 134], США [102, 103, 104, 114,125, 126, 127, 137, 140, 141], Индии [96, 97, 98, 120], Китае [105, 147-150].Несмотря на определенные достижения в использовании методаконечных элементов для расчетов камер жидкостных ракетных двигателей,6следует отметить, что точность таких расчетов оставляет желать лучшего.

Хотяидеи трехмерных расчетов высказывались еще в 1970-х годах, ввиду сложностиреализациииз-занедостаточныхмощностейвычислительнойтехники,используются простейшие двумерные модели или упрощенные трехмерныемодели,непозволяющиедостаточноточнооценитьнапряженно-деформированное состояние конструкции.С созданием двигателей многоразового использования актуальным такжестал анализ двигателя в постановке задачи малоцикловой усталости [77], где врамках каждого цикла нагружения предполагается несколько режимов работыдвигателя.При создании инновационных 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 этапе проектирования.Целью данной диссертационной работы является создание эффективнойкомплексной методики, пригодной для расчета и проектирования камерыжидкостного ракетного двигателя.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:1.Критически проанализировать существующие подходы и методырасчета НДС камеры ЖРД с точки зрения эффективности и возможностиприменения при проектировании перспективных конструкций ЖРД.2.На основе метода подконструкций и учета свойств симметрииконструкции создать конечно-элементную модель и алгоритм расчета,пригодные для проведения нелинейного термопрочностного анализа камерыЖРДприциклическомнагружениипоследовательности режимов работы.согласнозаданноймногоэтапной73.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, посредствомсравнения с известными решениями и экспериментальными результатами.5.Применить разработанную методику для анализа камеры сгоранияи сопловой части инновационного ЖРД с кислородным охлаждением.Практическая ценность работы заключается в следующих результатах:1.Разработана конечно-элементная методика расчета НДС камерысгорания и сопловой части ЖРД с учетом физической нелинейностиматериалов при циклическом нагружении для нескольких режимов работы.2.Разработан алгоритм и авторская программа для вычислениякоэффициентов анизотропии.3.По разработанной методике проведен термопрочностной расчеткамеры сгорания и сопловой части инновационного ЖРД.

По результатамрасчета даны рекомендации.4.Разработаннаяметодикапозволяетсоздатьрациональнуюконструкцию на этапе проектирования.5.Расчет по предложенной методике приводит к сокращениюколичества огневых испытаний и, следовательно, времени и затрат припроектировании новых ЖРД.На защиту выносятся следующие положения диссертации, обладающиеэлементами научной новизны:1.На основе программных комплексов ANSYS, pSeven и авторскихпрограмм разработана комплексная методика термопрочностного расчетакамерыжидкостногоракетногодвигателя,учитывающаянелинейность материала и циклическое нагружение конструкции.физическую82.Создан алгоритм уточненного расчета НДС критических зонкамеры на основе метода подконструкций и учета циклической симметриипроектируемой конструкции.3.сложнойРазработан алгоритм представления реальной конструкции согеометриейреализованныйввидеввидеконструктивно-анизотропнойавторскойпрограммырасчетамодели,коэффициентованизотропии.4.Предложена итерационная процедура определения рациональныхгеометрических параметров каналов охлаждения инновационного ЖРД скислороднымохлаждением,использующаяпоследовательностьтермопрочностных расчетов представительного элемента.Апробация результатов работыПо теме настоящей работы были сделаны доклады на следующихмеждународных и всероссийских научных конференциях:– XXIII Международный симпозиум «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им.