Автореферат (Разработка и применение компьютерной технологии для численных исследований прочности, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей), страница 4

Реализованный в программе алгоритм балансировки нагрузок представлен в виде блок-схемы на рис. 10. Для автоматизациираспределения и задания отбалансированных силовых нагрузок на КЭМ ЗСУтакже разработаны дополнительные программные средства.Отдельным разделом представлено описание программных средств и численных алгоритмов, используемых в рамках разработанной технологии для расчётовпрочности и устойчивости. При проведении расчётов на различных платформахиспользовались разные методы решения СЛАУ, выбор которых определялсявременем решения задач и эффективностью распараллеливания.

Расчёты НДС иформ потери устойчивости ЗСУ выполнены в ПК ANSYS. НДС конструкции дляслучаев деформирования некоторых локальных зон за пределами упругостимоделировалось в соответствии с теорией течения Прандтля-Рейса и условиемтекучести Мизеса. Использовалась модель полилинейного изотропногоупрочнения материала.

Расчёты устойчивостипроводились в линейной постановке в рамкахбифуркационного подхода, при которомиспользовалось следующее разрешающееуравнение:([K] - n[S]){u} = 0,где [K] - матрица жесткости конструкции; [S]- матрица геометрической жесткости; n - собственное значение (коэффициент запаса поустойчивости); {u} - собственный вектор,Рис. 11. Распределение интенсивности определяющий форму выпучивания. Принапряжений в конструкции ЗСУ длятаком подходе определялись низшие собстодного из сценариев нагружениявенные значения матрицы жесткости, опредепредельными нагрузкамиляющие коэффициенты запаса по устойчивости и соответствующие формы выпучивания.Нелинейный анализ устойчивости не выполнялся по причине больших затрат времени нарешение и необходимости использования значительных вычислительных ресурсов.Вся расчётная информация по НДС представлена в виде полей распределения интенсивности напряжений (рис.11), полных ипластических деформаций (рис.12), а такжетаблиц со значениями компонент тензоровРис.

12. Распределение интенсивностинапряжений и полных деформаций в точках сдеформаций в конструкции узла дляих максимальными значениями. С цельюодного из сценариев нагруженияавтоматизации формирования таблиц авторомпредельными нагрузками15разработаны специальные макросы. Результатырасчётов устойчивости по всем расчётным случаям показали, что для ЗСУ характерны локальные формы потери устойчивости отдельныхстоек и наружного корпуса (рис. 13).

Длякаждого случая получены низшие формыпотери устойчивости и соответствующие критические параметры нагрузки (коэффициентызапаса). Дополнительные исследования влиянияна НДС конструкции изменений краевых условий выявили преимущество конструктивноговарианта с проскальзыванием торцовых поверх- Рис. 13. Поле перемещений ЗСУ дляностей бобышек ЗСУ относительно фланца одной из форм потери устойчивостинаружного корпусаконуса. Такой вариант обеспечивает почтитрехкратное снижение максимального уровня деформаций в областях сопряжениястоек с задним фланцем втулки ЗСУ.На основе анализа результатов расчётов различных вариантов ЗСУ спроектирована оптимальная конструкция, удовлетворяющая и весовым ограничениям, изаданным требованиям по прочности и устойчивости.

В результате оптимизациивес конструкции уменьшен почти на 13 кг, а также значительно сниженымаксимальные значения параметров НДС в наиболее нагруженных зонах.Учитывая сложность геометрии и высокую стоимость изготовления ЗСУ,экспериментальное исследование прочности его оптимизированной конструкциипроведено только для одного случая действия предельных нагрузок. Кроме того,проведено заключительное испытание одного из опытных двигателей на обрывлопатки вентилятора, при котором реализован комплекс предельных (аварийных)нагрузок на все силовые элементы, в том числе и ЗСУ. Результаты экспериментовподтвердили результаты расчётного обоснования прочности ЗСУ, т.е.

конструкциясохранила свою прочность без видимых повреждений.Четвёртая глава посвящена разработке технологии моделированиянестационарного термонапряженного состояния и расчёта малоцикловойдолговечности задних стоечных узлов ГТД при нагружении по полётным циклам,также основанной на комплексном использовании лицензионных ПК инженерногоанализа и собственных прикладных программ. Разработанная технологияпозволяет значительно автоматизировать проведение расчётов, повысить ихточность и получить результаты на полных расчётных моделях.Алгоритм проведения исследований на основе такой технологии состоит изследующих основных этапов: Этап 1.

Численное моделирование нестационарного теплового состояниятиповых фрагментов конструкции с учётом лучистого теплообмена.Используются ПК ANSYS или STAR-CD и специализированные прикладные программы собственной разработки; Этап 2. Формирование температурных полей полной модели ЗСУ дляхарактерных временных точек полётного цикла программой-конвертором;16 Этап 3. Моделирование термонапряженного состояния полной модели пополётному циклу и анализ особенностей её деформирования. ИспользуютсяПК ANSYS, АBAQUS или STAR CCM+ (в зависимости от сложностигеометрии и количества рассматриваемых вариантов конструкции), а такжемакросы, разработанные для автоматизации обработки результатов; Этап 4. Преобразование части результатов и данных по свойствамматериала в специальный формат для расчёта малоцикловой долговечности; Этап 5.

Расчёт малоцикловой долговечности на основе разработаннойприкладной программы FAN.Представлено поэтапное описание особенностей разработанной технологиина примере численного моделирования термонапряжённого состояния и расчётамалоцикловой долговечности одного из вариантов конструкции ЗСУ ГТД SaM146для условий циклического нагружения по заданному полётному циклу.Моделирование нестационарного теплового состояния ЗСУ с примыкающимиэлементами двигателя выполнено в ПК ANSYS с учётом переменных во времениграничных условий 3-го рода на моделях типовых секторов из-за ограничений наразмер матриц излучения. Такие ограничения выявлены и в ПК STAR-CD.

Дляавтоматизации формирования граничных условий, соответствующих множествувременных сечений, разработаны прикладная программа на языке Absoft Fortranv.9.0 и макрос на внутреннем параметрическом языке APDL. В результатерасчетов определены температуры разогрева конструкции и временныезависимости температуры в контрольных точках по полётному циклу. На основеанализа полученных данных определены характерные временные сечения цикладля исследования термонапряжённого состояния конструкции.С целью повышения точности расчётов и снижения трудозатрат на их проведение в рамках разработанной технологии моделирование НДС ЗСУ по полётномуциклу выполняется на полной КЭМ.

В связи с этим для выбранных временныхсечений потребовалось формирование полных температурных полей модели (рис.14) из расчётных полей типовых фрагментов с использованием программыконвертора, описание которой приведено в главе 3. Данная программаприменялась также для передачи полей температур с одной расчётной сетки надругую в процессе расчётной оптимизации конструкции. Расчёт термонапряжённого состояния ЗСУпроведён в ПК ANSYS, а для некоторых временныхсечений выполнены сравнительные расчёты наоснове ПК ABAQUS. Результаты исследованийпредставлены в виде полей распределения интенсивности напряжений, полных и пластическихдеформаций в модели для выбранных временныхсечений цикла. На основе разработанных автороммакросов автоматически сформированы таблицы созначениями компонент тензоров напряжений иРис.14.

Поле температур ЗСУ вполных деформаций в наиболее напряженныходном из временных сеченийполетного циклазонах, осевых и радиальных перемещений17контрольных точек, а также осредненных посекторам радиальных усилий на стыках ЗСУ сдополнительными элементами. На основеанализа полученной информации определенонеобходимое количество болтов и усилие ихзатяжки для соединения фланцев ЗСУ исмесителя. Дополнительно проведен анализвлияния на НДС конструкции измененияусловий скрепления бобышек ЗСУ с конусом.В процессе разработки расчётной технологии исследована также эффективность нового подхода на основе МКО, реализованного вРис.15.

Фрагмент КО-сетки ЗСУ соПК STAR CCM+, по сравнению с традицисредним размером ячейки 1 ммонным «конечно-элементным» на задаче моделирования термонапряжённого состояния ЗСУ в одном из временных сеченийполетного цикла. Выполнен анализ сходимости результатов, трудозатрат напостроение расчётных сеток, а также эффективности распараллеливания расчётов.Решение задачи в STAR CCM+ проводилось на полигональных сеточныхмоделях размерностью от 2 до 22 млн.

ячеек, в которых средний размер ячейкиварьируется в диапазоне от 7 до 1 мм (рис. 15). Расчёты для сопоставления временных затрат проведены в скалярном режиме на рабочей станции, а остальныерасчеты с целью исследования масштабируемости решений выполнены в параллельном режиме на кластере. Решение СЛАУ в ABAQUS выполнялось прямымметодом Sparse direct solver, а в STAR CCM+ использовался итерационный многосеточный метод AMG и его модификация AMG with Successive Over Relaxation(SOR). Дополнительные исследования показали, что для рассматриваемой задачиподключение опции SOR сокращает время счёта почти в 5 раз при той жеточности результатов (рис.16). Сравнительный анализ результатов расчётоввыполнен по перемещениям и интенсивности напряжений в модели ЗСУ (рис.

17).При этом решение по МКЭ, полученное в ABAQUS на оптимальной расчётнойсетке, принято в качестве «эталона».Выявлено, что затраты времени на создание конечно-объёмной модели ЗСУразмерностью ~7 млн. многогранных ячеек вSTAR CCM+ примерно на два порядка ниже,чем на разработку КЭМ близкой размерности наоснове технологии, описанной в главе 1.

Приемлемых по точности результатов можно добитьсяна моделях близкой размерности только в томслучае, если в конечно-объёмной модели реализовано значительное сгущение сетки в наиболеенапряжённых зонах. Технология, реализованная вSTAR-CCM+, позволяет моделировать термонапРис.16. Изменение значенияряжённое состояние ЗСУ на одном процессоре намаксимального перемещения впорядок быстрее по сравнению с «конечно-эле- модели при итерационном решенииментной» технологией, а распараллеливаниезадачи в STAR CCM+18вычислений позволяет дополнительно сократитьвремя решения задачи с линейной зависимостьюот количества используемых ядер кластера.На основе анализа полученных результатовразработана и применяется на практике эффективная технология моделирования термонапряжённого состояния и проведения расчётнойоптимизации конструктивных форм сложныхузлов АД, позволяющая значительно сократитьсроки расчётных исследований и проектирования.Рис.17.