Автореферат (Разработка и применение компьютерной технологии для численных исследований прочности, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей), страница 2

Исследована сходимость результатов решения нелинейных статическихзадач определения НДС элементов ротора и ЗСУ путём сгущения сеток ивыявлена оптимальная степень пространственной дискретизации их моделей.5. Выполнен анализ влияния на НДС элементов ротора вентилятора заданныхконтактных условий, начальных зазоров между деталями и аэродинамическихнагрузок.6.

Исследованы особенности деформирования различных модификацийконструкции ЗСУ при максимальных эксплуатационных и аварийных нагрузках, атакже влияние на её НДС изменения условий закрепления конуса.5Практическая ценность диссертации:1. Построены высокоточные КЭМ ротора вентилятора и несколькихмодификаций ЗСУ ГТД SaM146 для проведения расчётов прочности.2. Обоснована прочность элементов ротора вентилятора при нормальныхусловиях 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 нагруженияаварийными и максимальными эксплуатационными нагрузками; спроектированоптимальный вариант конструкции, удовлетворяющий и весовым ограничениям, изаданным требованиям по прочности.4. Выявленные оптимальные методы решения СЛАУ и моделированияконтактного взаимодействия в ПК ANSYS позволили решать задачи расчёта НДСротора вентилятора на КЭМ значительно большей размерности, сократить срокиисследований и повысить точность расчётов.5.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке ГТДSaM146 в ОАО «НПО «САТУРН» и частично включены в состав сертификационных отчётов для сертификации двигателя в соответствии с требованиями EASA иАР МАК России. Разработанная компьютерная технология используется в ООО«Саровский инженерный центр» и ОАО «НПО«САТУРН» для расчётов прочностисложных элементов АД.На защиту выносятся:1. Технология эффективной генерации дискретных моделей сложных элементовАД для решения задач анализа их прочности.2. Технология моделирования теплового и напряженно-деформированногосостояний, а также расчёта податливости, устойчивости и малоцикловойдолговечности сложных элементов АД, позволяющая значительно сократитьсроки проектирования и расчётных исследований, получить результаты наполных моделях и за счёт этого повысить точность расчётов.3.

Результаты исследований эффективности моделирования термонапряженногосостояния сложной конструкции ЗСУ ГТД SaM146 на основе МКО,реализованного в ПК STAR CCM+, по сравнению с наиболее распространённым подходом, основанным на МКЭ.4. Результаты оптимизации и численных исследований прочности, устойчивости,податливости и малоцикловой долговечности конструкции ЗСУ при действиимаксимальных эксплуатационных и аварийных нагрузок, а также прочности иособенностей контактного взаимодействия элементов ротора вентилятора ГТДSaM146 при нормальных условиях эксплуатации.Достоверность защищаемых положений обеспечивается строгойматематической постановкой рассматриваемых задач механики квазистатического6деформирования конструкций, проведёнными исследованиями сходимостирешений, сопоставлением численных результатов, получаемых на основеапробированных ПК, и сравнением их с результатами экспериментов.Апробация работы.

Основные результатыдокладывались на следующих конференциях:диссертационнойработы 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference «The impulse to ExploreIgniting a Passion for Space» Sacramento CA, USA, 9-12 July 2006; II-ая международная научно-практическая конференция «Компьютерныетехнологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности»,Нижний Новгород, ННГУ им. Н.И.

Лобачевского, 11-13 Мая 2007г.; VII-ая научно-техническая конференция «Молодежь в науке», Саров, РФЯЦ –ВНИИЭФ, 28-30 октября 2008г.; III-я международная научно-практическая конференция «Компьютерныетехнологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности»,Нижний Новгород, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 14-16 Мая 2008г.; IV-ая международная научно-практическая конференция «Компьютерныетехнологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности»,Нижний Новгород, ННГУ им.

Н.И. Лобачевского, 12-13 Мая 2009г.; III-я международная конференция «Деформация и разрушение материалов инаноматериалов DFMN 2009», Москва, 12-15 октября 2009г.; VIII-ая международная конференция «Авиация и космонавтика-2009», Москва,МАИ, 26-29 октября 2009г.; III-я международная научно-техническая конференция «Авиадвигатели XXIвека», Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, 30 ноября – 03 декабря, 2010г; XIII-ый международный семинар «Супервычисления имоделирование», Саров, РФЯЦ – ВНИИЭФ, 3-7 октября 2011г.;математическое научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике 2012», Москва, МАИ, 17-20 апреля 2012г.Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в томчисле в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК, − 2.Отдельные результаты расчётных исследований отражены также в отчётах попроведённым научно-исследовательским работам.Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложенана 165 страницах, содержит 78 рисунков и 24 таблицы. Список литературывключает 116 наименований литературных источников российских и зарубежныхавторов.7ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приводится краткий обзор работ по рассматриваемым в диссертации проблемам, дается обоснование целей исследования, раскрываетсяактуальность и важность разработки новых компьютерных технологий дляэффективного решения проблем прочности сложных конструктивных узлов АД.Отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.Первая глава содержит описание разработанной компьютерной технологиипостроения высокоточных дискретных моделей сложных элементов АД для решения задач прочности.

Представлены основные особенности и преимуществатехнологии для эффективной генерации КЭМ, а также изменения и/или перестраивания сеток в отдельных областях моделей при проведении расчётной оптимизации их конструктивных форм. С целью значительного снижения трудозатратпри проведении уточняющих расчётов для областей с максимальными значениямипараметров НДС в рамках новой технологии предлагается использование эффективных методов фрагментации КЭМ и последующего автоматизированногосгущения сеток.Построение расчётных моделей сложных элементов АД большой размерности и хорошего качества является важнейшим этапом решения задач, так какточность результатов во многом определяется качеством сеток.

При этом временные затраты на их построение, требующие прямого участия специалистов, чащевсего значительно превосходят затраты на остальные этапы решения задач.Анализ информации по данному вопросу применительно к расчётам сложныхэлементов АД выявил, что в некоторых случаях из-за сложной геометриипостроение качественной расчётной сетки не представляется возможным наоснове наиболее распространённых программ. При этом вынужденно допускаются упрощения в расчётных моделях или используются сетки плохого качества,что приводит к ошибкам при решении задач. Это не позволяет также эффективнопроводить расчётную оптимизацию конструктивных форм сложных деталей наэтапе проектирования. Поэтому разработка эффективной технологии построениявысокоточных дискретных моделей, адаптированной для работы со сложнымиэлементами АД, выбрана в качестве одного из направлений данной диссертационной работы.

Для развития этого направления проводятся: изучение возможностей современных программных средств генерациирасчётных сеток для решения задач анализа прочности конструкций; оценка возможности передачи информации между этими программами инаиболее распространёнными расчётными ПК; исследование эффективности средств формирования граничных условий намоделях большой размерности, а также методов локального перестраиваниясетки при расчётной оптимизации геометрии модели; анализ требований к качеству сеток, предъявляемых наиболее распространёнными ПК при решении задач прочности.Проведённые исследования позволили выделить в качестве эффективногобазового программного средства генерации КЭМ сложных элементов АД −8программу pro-FE компании CD-adapco.

Для значительного сокращения временигенерации сеток, автоматизации выполнения типовых операций и повторяющихсяблоков команд, а также эффективного формирования граничных условий насетках большой размерности автором выполнена некоторая «адаптация» возможностей pro-FE к построению КЭМ сложных типовых элементов АД за счёт разработки ряда специальных «панелей», макросов и прикладных программ. Разработкадополнительных программных средств проведена с использованием внутреннегопараметрического языка программы pro-FE, а также языка программированияAbsoft Fortran v.9.0.Кроме того, в рамкахразработанной технологииоказалосьэффективнымиспользование ещё одногопродукта компании CDadapco - программы pro-surf.Эта программа предназначена для диагностики иисправленияCAD-геометрии, а также подготовкиповерхностной сетки для еёиспользования при построении КЭМ в pro-FE и препроцессорах ПК ANSYS и LSDYNA. Опыт практическогоприменения показал, что prosurf обладает рядом преи- Рис.

1. Блок-схема алгоритма построения расчётных моделеймуществ по сравнению с сложных элементов АД на основе разработанной технологиидругими программами аналогичного назначения, позволяет существенно облегчить работу по построениюрасчётных моделей сложных элементов АД и повышает эффективность использования для этих целей программы pro-FE.Таким образом, разработанная технология генерации КЭМ сложных узлов АДоснована на использовании следующих программных средств: pro-surf для диагностики, исправления ошибок CAD-геометрии и подготовкиеё поверхностной сетки; pro-FE в качестве базового программного средства генерации расчётныхсеток и формирования граничных условий; специальные «панели», макросы и прикладные программы, составленныеавтором на внутреннем параметрическом языке и языке программированияAbsoft Fortran v.9.0, с целью «адаптации» возможностей pro-FE кпостроению расчётных моделей сложных элементов АД.На рис.