Автореферат (Разработка и применение компьютерной технологии для численных исследований прочности, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей), страница 3

1 показана блок-схема алгоритма построения расчётных моделей длясложных элементов АД на основе такой технологии.Представлен опыт её использования при построении высокоточных КЭМряда модификаций конструкции ЗСУ и ротора вентилятора в сборе нового ГТД9SaM146 для проведения комплекса их расчетных исследований (рис.

2, 3). Применение разработанной технологии позволило обеспечить высокое качество пространственной дискретизации моделей, а также эффективно изменять и перестраивать сетку при проведении оптимизации их конструктивных форм. Выборразмерности и параметров КЭМ обоснован исследованиями сходимости результатов численных расчётов на сетках различной размерности, а также подробныманализом условий эксплуатации элементов. Степень пространственной дискретизации моделей определялась также кругом задач, для решения которых они создавались, располагаемыми вычислительными и временными ресурсами.Рис. 2. КЭ модель сектора роторавентилятора двигателя SaM146 (550000 КЭ)Рис. 3.

КЭ модель ЗСУ с дополнительнымиэлементами двигателя SaM146 (1,4 млн. КЭ)Также описаны преимущества использования технологии для изменениярасчётных сеток при проведении оптимизации конструктивных форм сложныхдеталей АД и более точном моделировании НДС в наиболее напряжённых зонах.Для эффективного проведения оптимизации геометрии в локальных областяхмодели рекомендуется использование метода «подмоделей», суть которого заключается в выделении из общей КЭМ большой размерности локальной области(подмодели) с наибольшим градиентом расчётных величин, быстрой корректировке сетки в соответствии с изменениями геометрии и автоматизированной передаче граничных условий и нагрузок из полной модели для последующего расчёта.Аналогичный подход используется и для более точного моделирования НДС внаиболее напряжённых зонах.

При этом этап корректировки сеток заменяетсяэтапом её автоматического многовариантного сгущения. В качестве примера нарис. 4 показана КЭМ типового сектора (подмодели) ЗСУ, используемая на промежуточном этапе проектирования для расчётной оптимизации геометрии некоторых наиболее напряжённых областей.

На рис. 5 показана автоматически измельченная сетка модели этого же сектора, используемая для более точного расчётаНДС в локальных зонах. Применение метода «подмоделей» позволило значи-10тельно снизить трудоёмкость выполнения расчётной оптимизации конструктивных форм ЗСУ.Рис. 4. КЭ модель сектора ЗСУ, используемаядля расчетной оптимизации геометрии влокальных областях (104000 КЭ)Рис. 5. КЭ модель сектора савтоматически измельченной сеткой(740000 КЭ)Во второй главе работы изложена технология численного моделированияквазистатического НДС ротора вентилятора при нормальных условияхэксплуатации.

Приводятся результаты исследований по ряду вопросовметодического характера, возникших в процессе разработки расчётнойтехнологии. Описываются её основные особенности и преимущества.На основе разработанной технологии выполнены расчёты квазистатическогоНДС ротора вентилятора ГТД SaM146, а также оптимизированы конструктивныеформы некоторых деталей.

Для эффективного проведения оптимизации геометриидеталей использовалась технология подготовки расчётных моделей, описанная вглаве 1. По результатам расчётных исследований выявлены особенности деформирования и контактного взаимодействия деталей ротора, а также обоснована ихпрочность при нормальных условиях работы вентилятора на одном из режимов.При проектировании вентиляторана основе анализа результатов решениязадач прочности и газодинамикиотдельной лопатки её геометрия неоднократно оптимизировалась для удовлетворения критериям прочности иповышения КПД. В работе представлено подробное описание особенностейи результатов расчётной оптимизациигеометрии лопатки только по условиямобеспечения прочности (рис.

6). ПослеРис. 6. Графики изменения макс. знач.оптимизации формы «пера» лопатки вбезразмерных радиальных перемещений ирасчётную схему постепенно добавля- интенсивности напряжений в пере лопатки влись модели других деталей, а граничпроцессе её оптимизации11ные условия жёсткой заделки хвостовиказаменялись на условия контактного взаимодействия. Расчёты проводились с учётом геометрической и физической нелинейности.В процессе исследований неоднократно оптимизировалась также геометрия и других деталей. В связи с этим для каждого последующего расчёта выполнялись корректировка,Рис.

7. График сходимости результатов локальное перестраивание сеток и повторноерасчётов по макс. знач. безразмернойформирование граничных условий на основеинтенсивности напряжений imax /0.2 втехнологии, представленной в главе 1. Этолопаткепозволило существенно сократить трудозатраты на расчётную оптимизацию основных деталей ротора и на завершающемэтапе исследований получить оптимальный вариант их геометрии.Изучена степень влияния аэродинамической нагрузки, заданных условийконтактного взаимодействия и начальных зазоров между деталями на результатырасчётов НДС.

Проведён анализ сходимости результатов численных расчётов припоследовательном сгущении сеток (рис. 7), что позволило выбрать оптимальныйвариант пространственной дискретизации моделей с учётом располагаемыхвычислительных ресурсов и таких параметров, как точность и время решениязадач. Показано, что решение рассматриваемого класса задач на моделях сначальными зазорами между контактными поверхностями приводит к значительному увеличению погрешности решенийв контактных зонах, ухудшению сходимостии увеличению продолжительности решений.Исследования влияния аэродинамической нагрузки на НДС основных деталейротора показали, что учёт этой нагрузки приводит к незначительному изменению значений параметров НДС и характера их распределения (рис. 8).Также представлены результаты исслеа)дований эффективности различных методоврешения СЛАУ, а также методов моделирования контактного взаимодействия в ПКANSYS с учётом размерности моделей и располагаемых вычислительных ресурсов.

Наоснове численных экспериментов на КЭМсектора ротора различной размерности выявлены оптимальные метод решения системуравнений и алгоритм контактного взаимоб)действия, позволяющие сократить времяРис. 8. Распределение безразмернойрасчётов и повысить их точность для задачинтенсивности напряжений в лопатке:такого класса. Выполнен также анализа) без учета, б) с учетомэффективности данных методов по сравнеаэродинамической нагрузки12нию с аналогичными методами в ПК LS-DYNA.В последнем разделе главы выполняется сравнительный анализ результатоврасчётов квазистатического НДС основных элементов ротора на основе ПКANSYS и LS-DYNA. Для решения задачи в LS-DYNA используется «искусственный» практический подход на основе явной численной схемы.

Показано, чторезультаты расчётов согласуются, как по максимальным значениям параметровНДС, так и по распределению полей в конструкции. На основе полученныхданных сделано заключение о возможности моделирования предварительногостационарного НДС ротора на основе LS-DYNA для учёта его в качественачального состояния при решении задач обрыва лопатки в этой же программе.При этом, как показала практика расчётов, LS-DYNA на одном процессоре позволяет решать задачи такого класса на КЭМ существенно большей размерности, чемANSYS.

Однако, расчётная технология на основе явной численной схемы являетсяэффективной для решения рассмотренных задач только в параллельном режиме.В третьей главе приводится описание компьютерной технологии, разработанной для решения практических задач моделирования теплового и напряженнодеформированного состояний, а также расчёта устойчивости задних стоечныхузлов ГТД при действии предельных (аварийных) и максимальных эксплуатационных нагрузок. Такаятехнология, основанная на комплексном использовании лицензионных ПК инженерного анализа и прикладных программсобственной разработки, позволяетзначительносократитьтрудозатраты на проведениеисследований, повысить точностьрасчётов и получить результатына полной модели сложной конструкции.

Особое внимание уделено автоматизации некоторыхэтапов проведения расчётов, атакже эффективному распределению решаемых задач нарасполагаемых вычислительныхресурсах. На рис. 9 приведенаблок-схема алгоритма проведения расчётных исследований всоответствии с разработаннойтехнологией. В рамках такойтехнологии проводится последовательное решение ряда взаимоРис. 9. Блок-схема алгоритма проведения комплексасвязанных задач: расчет стациорасчётных исследований ЗСУ в соответствии снарного теплового состоянияразработанной технологией13фрагментов конструкции, формирование полного поля температур и его передачав задачу анализа прочности; распределение и балансировка систем механическихнагрузок линейными и угловыми ускорениями; расчеты НДС, критическихнагрузок (или коэффициентов запаса) и соответствующих форм потери устойчивости для всех рассматриваемых случаев нагружения конструкции.На основе разработанной технологии в приемлемые сроки выполнены расчётные исследования прочности и устойчивости различных вариантов проектируемой конструкции ЗСУ ГТД SaM146 для наиболее «тяжёлых» случаев термосилового нагружения предельными и максимальными эксплуатационныминагрузками.

Исследована сходимость результатов численных расчётов, что позволило обосновать оптимальный вариант пространственной дискретизации моделей.При этом эффективно использовалась также технология подготовки расчётныхсеток, представленная в главе 1. Для различных вариантов конструкции ЗСУпоследовательно выполнялись расчёты: стационарного теплового состояния для наиболее тяжёлых режимов работы; прочности при максимальных эксплуатационных нагрузках на проушины; прочности при действии предельных нагрузок на проушины; прочности для 10 сценариев нагружения при обрыве лопатки вентилятора; устойчивости при действии предельных нагрузок на проушины; устойчивости для 10 сценариев нагружения при обрыве лопатки вентилятора.Расчёты прочности и устойчивости проводились на полных КЭМ (рис.

3), всостав которых также включены корпус турбины низкого давления, корпус опорыподшипника, фрагменты корпусов смесителя и конуса. Наличие этих элементовпозволило избежать необходимости введения в модель дополнительных граничных условий и повысить точность расчётов за счёт более точного моделированияусловий закрепления и учёта жёсткости дополнительных элементов. Решениезадачи теплопроводности с излучениемдля полной КЭМ размерностью ~1,6 млн.элементов не удалось получить на основеПК ANSYS (версий 8.1 и 9.0) и STAR-CD(версии 3.24) из-за программных ограничений на размер матриц излучения,поэтому задача решалась на моделяхотдельных типовых секторов конструкции в ПК ANSYS.

В связи с этим дляпроведения расчётов прочности и устойчивости узла на полных моделях потребоваласьразработкаспециальнойпрограммы–конвертора, формирующейполное поле температур на основерасчётных полей типовых секторов.Дополнительно проведен сравнительныйРис.10. Блок-схема алгоритма балансировки расчёт стационарного теплового состояния одного из типовых секторов нараспределённых нагрузок на ЗСУ14основе ПК STAR-CD. Сравнительный анализ результатов показал, что отличие втемпературах не превышает 1%.С целью автоматизации и значительного сокращения времени балансировкираспределённых нагрузок на ЗСУ для множества расчётных случаев авторомразработана на языке программирования Absoft Fortran v.9.0 специальнаяприкладная программа BALANS.