Автореферат (Разработка и применение компьютерной технологии для численных исследований прочности, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей)

На правах рукописиРечкин Вадим НиколаевичРАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИДЛЯ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЧНОСТИ,УСТОЙЧИВОСТИ И МАЛОЦИКЛОВОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИСЛОЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукСаров − 2012Работа выполнена в ООО «Саровский инженерный центр»Научный руководителькандидат технических наук,старший научный сотрудникРябов Александр АлексеевичОфициальные оппоненты:Колотников Михаил Ефимович,доктор технических наук, профессор,ООО «ДжиИ РУС», начальник отделапаровых турбинАмелькин Андрей Сергеевич,кандидат технических наук,Московский авиационный институт(национальный исследовательскийуниверситет), ведущий конструктор центрапроектно-конструкторских технологийавиационной техники (ЦПКТ АТ)Ведущая организацияОАО "Климов"Защита состоится «17» сентября 2012 г. в 15 час.

00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета),125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета).Автореферат разослан «___» __________ 2012 г.Ученый секретарь диссертационного советаД212.125.08, д.т.н., проф.Зуев Ю.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

Современный уровень развития вычислительнойтехники, численных методов и программ решения задач механики позволяет сприемлемой точностью моделировать напряженно-деформированное состояние(НДС) конструкций при различных воздействиях. Однако, высокоточноечисленное решение стационарных и нестационарных задач нелинейного деформирования сложных конструктивных элементов авиационных двигателей (АД) сучётом образования пластических деформаций, геометрической нелинейности иконтактного взаимодействия, по-прежнему, представляет собой весьма сложнуюпрактическую задачу. Это обусловлено, прежде всего, значительными трудозатратами на построение дискретных расчётных моделей большой размерности и обработку результатов расчётов, а также необходимостью использования современныхвычислительных средств и эффективных расчётных технологий, без которыхневозможно получить решение многих задач анализа прочности сложныхэлементов АД с высокой точностью.

Кроме того, при проектировании сложныхузлов АД со значительными трудностями связаны также выбор и обоснованиекомплекса учитываемых нагрузок, проведение расчётной оптимизации по массе,тщательный подбор геометрических размеров и материалов.В настоящее время на отечественных предприятиях авиационногодвигателестроения при проектировании и расчётном обосновании прочностиразличных изделий используется ряд коммерческих программных комплексов(ПК): ANSYS, ABAQUS, LS-DYNA, MSC.NASTRAN и др.

Однако, опытпрактического применения показывает, что эффективность использования этихпрограммных средств для расчёта прочности сложных элементов АД существеннозависит от «адаптации» численных технологий (способов генерации расчётныхсеток, алгоритмов решения и средств обработки результатов) к рассматриваемомуклассу задач. Новые компьютерные технологии, основанные на комплексномиспользовании различных программ и «адаптированные» к анализу прочностисложных узлов АД, позволяют повысить точность расчётов, сократить срокипроектирования и сэкономить значительные материальные ресурсы. В связи сэтим разработка и применение новых компьютерных технологий, а такжесовершенствование методических подходов для повышения эффективностирасчётов и проектирования cложных элементов АД являются актуальнымизадачами и имеют важное практическое значение.При разработке компаниями НПО «САТУРН» и «Snecma» нового ГТДSaM146 для российского регионального самолёта Sukhoi Superjet среди прочихважных задач возникла необходимость проведения в короткий срок комплексарасчётных исследований прочности элементов ротора вентилятора, а такжепрочности, устойчивости и термоусталостной малоцикловой долговечностизаднего стоечного узла (ЗСУ).

Указанные конструктивные элементы являютсясложными, весьма ответственными элементами двигателя и входят в списокосновных узлов, неисправность которых чаще всего является причиной отказовили нарушений эксплуатационных параметров ГТД по данным ИКАО. Крометого, двигатель SaM146 должен удовлетворять требованиям не только российских,3но и международных авиационных норм, что предопределило значительноеувеличение объёма расчётных работ на этапе проектирования для обоснованиясоответствия этим требованиям и сертификации. Учитывая сложность геометриии высокую стоимость изготовления ЗСУ, проведение экспериментальных исследований его прочности для множества сценариев нагружения является крайнесложным и дорогостоящим.

Для ротора вентилятора экспериментальноневозможно определить все особенности деформирования и контактноговзаимодействия деталей, что необходимо в первую очередь для оптимизации ихконструктивных форм. На основе вышеизложенной информации сформулированыцели работы: разработка эффективной технологии генерации расчётных моделей ичисленных исследований прочности, устойчивости, податливости и малоцикловойдолговечности сложных элементов АД, позволяющей снизить трудозатраты,сократить сроки проведения комплексных расчётов и повысить их точность; применение разработанной технологии для проектирования и расчётногообоснования прочности ЗСУ и ротора вентилятора нового ГТД SaM146.Для достижения указанных целей необходимо было решить следующиеосновные задачи: проанализировать возможности современных программных средствгенерации расчётных сеток для задач анализа прочности и выявить наиболееподходящие из них применительно к элементам АД; разработать эффективнуютехнологию построения расчётных моделей сложных элементов АД иоптимизации их конструктивных форм; построить высокоточные расчётные модели указанных элементов ГТДSaM146 для проведения расчётов прочности; обосновать выбор параметроврасчётных моделей и комплекса учитываемых нагрузок; на задачах численного моделирования квазистатического НДС роторавентилятора выполнить сравнительный анализ эффективности различныхметодов решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), а такжеметодов моделирования контактного взаимодействия в ПК ANSYS; исследовать эффективность новой расчётной технологии на основе методаконечного объёма (МКО), реализованного в ПК STAR CCM+, для моделирования термонапряжённого состояния сложной конструкции ЗСУ по сравнению страдиционной «конечно-элементной» технологией; выбрать методику расчёта малоцикловой долговечности ЗСУ с учётомспецифики нагружения и ограниченного объема экспериментальных данных посвойствам материала; разработать прикладные программы для автоматизации задания и балансировки нагрузок на моделях большой размерности, расчёта податливости ималоцикловой долговечности ЗСУ, а также обработки результатов; исследовать сходимость результатов численных расчётов НДС указанныхэлементов при сгущении сеток и подтвердить их достоверность на основе4сопоставления расчётных данных, полученных в различных ПК, между собой ис данными экспериментов; оптимизировать геометрию ЗСУ и деталей ротора вентилятора, а такжепровести расчётные исследования прочности оптимизированных вариантов.Методы и средства исследования: программа pro-surf для редактирования CAD-геометрии и подготовки ееповерхностной сетки; программа pro-FE и разработанные автором на её внутреннемпараметрическом языке дополнительные программные средства для построенияконечно-элементных моделей (КЭМ); прикладные программы, написанные автором на языке программированияAbsoft Fortran v.9.0, для автоматизации формирования граничных условий изадания нагрузок на дискретных моделях, расчёта податливости и малоцикловойдолговечности ЗСУ, обработки результатов расчётов; метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в ПК ANSYS, LS-DYNA иABAQUS для расчёта параметров нагружения и решения задач прочности иустойчивости; метод конечных объемов, реализованный в ПК STAR-CD и STAR CCM+, длярасчёта теплового и напряжённо-деформированного состояний; методы экспериментального исследования прочности и податливости ЗСУ.Научная новизна результатов выполненной работы:1.

Разработана эффективная технология построения дискретных моделейсложных элементов АД для расчётного анализа прочности, позволяющаяобеспечить высокое качество дискретизации моделей.2. На основе численных экспериментов по расчёту НДС ротора вентилятораГТД SaM146 выявлены оптимальные для такого класса задач методы решенияСЛАУ и моделирования контактного взаимодействия в ПК ANSYS и выполненанализ их эффективности по сравнению с аналогичными методами в ПК LS-Dyna.3. Исследована эффективность применения нового подхода на основе МКО,реализованного в ПК STAR CCM+, для моделирования термонапряжённогосостояния ЗСУ ГТД SaM146 и выявлено, что такой подход позволяет решатьзадачу в целом на порядок быстрее, чем технология, основанная на МКЭ.4.