Автореферат (Разработка и применение компьютерной технологии для численных исследований прочности, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей), страница 5

График сходимости макси- Блок схема алгоритма проведения расчётов наоснове такой технологии представлена на рис. 18.мального значения безразмернойинтенсивности напряжений в ЗСУВо втором разделе главы приводится описадля решений в STAR CCM+ние технологии расчёта малоцикловой термоусталостной долговечности ЗСУ при нагружении по полётным циклам с учётомограниченного объема экспериментальных данных по свойствам материала.Представлены основные особенности методики, на основе которой малоцикловаядолговечность определяется с учётом кинетики полных деформаций в наиболеенапряжённых зонах только до момента образования в них макроскопическихтрещин.

Для учёта в расчётах особенностей изменения деформаций в наиболеенагруженных зонах по полётному циклу режим нагружения материала в нихсхематизируется по методу «полных циклов». В результате схематизации выделяются амплитуды деформаций различного уровня и количество их повторений вполётном цикле - νikц, а также накопленные числа подциклов mцk для каждой k-ойзоны, которые оказывают основное влияние на накопление усталостных повреждений. Расчёты проводятся на основе закона линейного суммирования повреждений Пальмгрена-Майнера и гипотезы о независимости накопленных повреждений.В качестве исходных данных для расчётов используются также семейство кривыхмалоцикловой усталости, полученных в испытаниях по отнулевом циклу сзаданными предельными деформациями образцов при различных температурах, изначения физико-механических параметров материала, полученные при статических испытаниях.Для значительного уменьшения трудозатрат и повышения точности расчётов, особенно при исследовании малоцикловой долговечности длянесколькихмодификацийконструкции, данная методикареализована автором в видеприкладной программы FAN(Fatigue ANalysis).

Программасоставлена на алгоритмичес- Рис.18. Алгоритм расчёта термонапряжённого состоянияком языке Absoft Fortran v.9.0.и проведения расчётной оптимизации конструктивныхРаботоспособность прогформ сложных элементов АД19раммы продемонстрированарезультатами расчёта малоцикловойдолговечностиодного из вариантов конструкции ЗСУ ГТД SaM146.Расчёты выполнены с учётомособенностей изменения полных деформаций в наиболеенапряжённых зонах по заданному полётному циклу (рис.19). Результаты, вычисленныепо программе FAN, подтвер- Рис.

19. Графики изменения интенсивности деформацийв наиболее напряжённых зонах узла по полётному циклуждены также аналитическимрешением по уравнению Мэнсона, полученному в соответствии с методом универсальных наклонов для асимметричного цикла. По причине не учета повреждающего эффекта подциклов с меньшим размахом деформаций вычисленные поуравнению Мэнсона значения малоцикловой долговечности для наиболеенагруженных зон узла оказались больше на 6 - 11 %.В пятой главе изложена технология численных расчётов радиальной иугловой податливости ЗСУ с корпусом опоры подшипника с учётом их тепловогосостояния в характерных временных сечениях полётного цикла. Даннаятехнология разработана совместно со специалистами НПО «САТУРН».Результаты расчётов податливости необходимы в качестве граничных условий наначальном этапе расчета динамики изолированного ротора.С целью автоматизации выполнения расчётов подаливости автором разработаны прикладные программы для задания распределённых нагрузок на КЭМ,проведения расчётов податливости и обработки результатов.

Для каждого израссматриваемых временных сечений заданного полётного цикла вычислениеподатливости конструкции выполняется в три этапа. На первом этапе сиспользованием разработанной прикладной программы выполняется автоматическое распределение и задание механических нагрузок на множество узлов КЭМв соответствие с заданным законом распределения. Вторым этапом на основе ПКANSYS проводятся расчёты соответствующих полей перемещений конструкциидля различных вариантов нагружения распределёнными нагрузками. С использованием специального макроса выполняется поиск значений перемещений дляряда контрольных узлов КЭМ и запись их в текстовые файлы определённогоформата.

На третьем этапе с использованием разработанной прикладнойпрограммы Flexibility вычисляются значения радиальной и угловой податливостиЗСУ и корпуса опоры подшипника на основе полученных полей перемещений.Программа Flexibility является универсальной, так как дает возможность проведения расчётов, независимо от того, в каком ПК рассчитываются перемещенияконтрольных узлов модели. Прикладные программы составлены автором на языкепрограммирования Absoft Fortran v.9.0.20Работоспособность разработанной технологии продемонстрирована результатами расчётов радиальной и угловойподатливости одного из вариантов ЗСУ и присоединяемого кнему корпуса опоры подшипника для ГТД SaM146 с учётомих теплового состояния в трёхвременных сечениях заданногополетного цикла для условийполностью изношенного двигателя.Показано, что результатырасчётов хорошо согласуются срезультатамиэкспериментов, Рис.

20. Графики перемещений двух контрольных точекпроведённыхспециалистами ЗСУ, полученные в одном из экспериментов (данныеНПО «САТУРН») и на основе расчётовНПО «САТУРН» (рис. 20). Нарис. 21 и 22 показаны экспериментальная установка, используемая дляопределения податливости, и одна из модификаций исследуемой конструкции,закреплённая в специальной оснастке.Сравнительный анализ результатов показал также, что расчётные значенияподатливости ближе к результатам экспериментов для литого исполненияконструкции. Отличия расчётных значений от экспериментальных данных,полученных для литой конструкции, находятся в диапазоне 4,3% - 6,6%, а отэкспериментальных данных для сварной конструкции - в диапазоне 5,3% - 9,3%.Рис.21.

Экспериментальная установка дляопределения податливостиРис.22. Закреплённая в оснастке конструкцияЗСУ с присоединёнными корпусами опорыподшипника и ТНД21ВЫВОДЫ1. Выявлены наиболее подходящие программные средства и разработанакомпьютерная технология эффективной генерации расчётных моделей сложныхконструктивных элементов АД для решения задач прочности.

Применение даннойтехнологии позволяет сократить время подготовки сеточных моделей иобеспечить высокое качество пространственной дискретизации при детальномописании всех конструктивных особенностей. На основе этой технологиипостроены высокоточные КЭМ различных модификаций ЗСУ и ротора вентилятора ГТД SaM146 для проведения расчетных исследований их прочности.2. Разработана эффективная технология численного моделирования теплового инапряженно-деформированного состояний, а также расчёта податливости,устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов АД, основаннаяна комплексном использовании различных программных средств и позволяющаязначительно сократить сроки проектирования и расчётных исследований,получить результаты на полных моделях и повысить точность расчётов.3.

На основе численных экспериментов по расчёту квазистатического НДСротора вентилятора ГТД SaM146 выявлены оптимальные для такого класса задачметоды решения СЛАУ и моделирования контактного взаимодействия в ПКANSYS и выполнен нализ их эффективности по сравнению с аналогичнымиметодами в ПК LS-Dyna. Выявленные методы, позволили решать задачи большейразмерности, сократить сроки расчётов и повысить их точность.4. Исследована эффективность применения нового подхода на основе МКО,реализованного в ПК STAR CCM+, для расчёта термонапряжённого состоянияЗСУ ГТД SaM146 и выявлено, что такой подход позволяет решать задачу в целомна порядок быстрее, чем технология, основанная на МКЭ.5.

Смоделировано квазистатическое НДС ротора вентилятора ГТД SaM146 ивыполнена оптимизация конструктивных форм некоторых деталей. Исследованыособенности контактного взаимодействия деталей ротора и обоснована ихпрочность при нормальных условиях эксплуатации. Изучено влияние начальныхзазоров, нелинейных контактных условий и аэродинамических нагрузок на НДСэлементов ротора.6. Выполнены расчёты прочности, устойчивости, податливости и малоцикловойдолговечности различных модификаций конструкции ЗСУ ГТД SaM146 длянаиболее «тяжёлых» сценариев нагружения аварийными и максимальнымиэксплуатационными нагрузками.

На основе анализа результатов спроектированоптимальный вариант конструкции, удовлетворяющий и весовым ограничениям, изаданным требованиям по прочности. Получено экспериментальное подтверждение результатов расчётов прочности и податливости конструкции ЗСУ.7. 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. Внедрение результатов подтверждено соответствующим актом.22Основные публикации по теме диссертации:1. A. Ryabov, V. Rechkin, S.

Kukanov, Y. Shmotin, D. Gabov. Numerical Analysis ofAircraft Engine Fan Blade-Out Dynamics // Proceedings of 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference «The impulse to Explore – Igniting a Passion forSpace», - Sacramento CА, USA, 2006.2. А.А. Рябов, В.Н. Речкин. Обзор возможностей специализированного программного модуля PRO-SURF // «Молодежь в науке». Сборник докладов 7-й научнотехнической конференции (28-30 октября 2008 г.), - Саров, 2009.3. А.А. Рябов, В.И. Романов, В.Н. Речкин, Ю.Н. Шмотин, А.В. Веселов. Применение современной компьютерной технологии для исследования прочности,устойчивости и долговечности заднего стоечного узла газотурбинного двигателя //8-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009».

Тезисыдокладов. – М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009.4. С.К. Агафонов, В.Н. Речкин, А.И. Чембаров. Специализированный программный модуль для расчёта усталостной прочности конструкций при нестационарном термосиловом нагружении // Сборник материалов 3-й международнойконференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN2009» Москва, 12-15 октября 2009. Под общей ред. академика О.А.Банных. – М:Интерконтакт Наука, 2009 (в 2-х томах).5.