Автореферат (1025975)
Текст из файла
На правах рукописиКороткая Ольга ВладимировнаРазработка методики расчета камерыперспективного ЖРД на основе метода подконструкций01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидататехнических наукМосква – 2017Общая характеристика работыАктуальность темы. Проектирование современных жидкостныхракетных двигателей (ЖРД) представляет собой актуальную и трудоемкуюзадачу,требующуюдлясвоегорешениясовершенствованиясуществующих и разработку новых эффективных методов расчета спривлечением возможностей современной вычислительной техники.
Напервый план выступает проблема разработки экономных математическихмоделей и расчетных методик, позволяющих решать не только задачианализа, но и подойти к решению задач синтеза конструкций,удовлетворяющих заданным требованиям. Особую важность представляетанализ термопрочностного состояния камер с учетом нелинейностипроцесса деформирования при циклическом нагружении конструкции.Основным способом, позволяющим дать достоверную оценкупрочности ЖРД, на сегодняшний день являются дорогостоящие стендовыеиспытания. Экспериментально установлено существование локальныхкритических зон конструкции, требующих уточненного и детальногорассмотрения. Вместе с тем, для расчетов камер жидкостных ракетныхдвигателей зачастую используются подходы, которые, по оценкамспециалистов, исчерпали свои возможности и уже не соответствуютсовременным требованиям.
К использованию упрощенных моделей как вдвух-, так и трехмерной постановке, не позволяющих с необходимойточностью оценить напряженно-деформированное состояние (НДС)конструкции, привела сложность и трудоемкость рассматриваемых задач.Внедрение в расчетную практику метода конечных элементовограничивается необходимостью использования моделей с высокойразмерностью, что связано с существенной трудоемкостью реализациидаже при решении задач анализа.При создании перспективных двигателей нового поколения одной изважных проблем является сокращение временных и финансовых затрат напроектирование двигателя, в связи с чем возникла необходимость созданиярасчетной методики, позволяющей не только сократить вышеуказанныезатраты, но и создать рациональную конструкцию на этапепроектирования.Учитывая вышеизложенное, задача разработки эффективных методик,позволяющих свести расчет НДС конструкции к последовательностирешения задач с существенно меньшей размерностью и пригодных дляанализа конструкций двигателей в режимах циклического нагружения,является актуальной.Цель и задачи работы.
Основной целью работы является созданиеэффективной комплексной методики, пригодной для расчета ипроектирования камеры жидкостного ракетного двигателя.1Для достижения поставленной цели потребовалось решитьследующие задачи:1. Критически проанализировать существующие подходы и методырасчета НДС камеры ЖРД с точки зрения эффективности ивозможности применения при проектировании перспективныхконструкций ЖРД.2. На основе метода подконструкций и учета свойств симметрииконструкции создать конечно-элементную модель и алгоритм расчета,пригодные для проведения нелинейного термопрочностного анализакамеры ЖРД согласно заданной многоэтапной последовательностирежимов работы.3.
Реализовать предложенную математическую модель и алгоритмрасчета в форме пакета прикладных программ для ЭВМ.4. Проверить эффективность методики и достоверность результатов,полученных с помощью разработанных программных средств,посредством сравнения с известными решениями и результатами.5. Применить разработанную методику для анализа камеры сгорания исопловой части инновационного ЖРД с кислородным охлаждением.Методы исследования.
Для разработки методики расчета камеры ЖРДприменялись классические подходы механики деформируемого твердоготела, современные методы математического анализа, позволяющиеснизить размерность задачи, современные подходы для алгоритмизации иреализации с использованием вычислительной техники.Научная новизна:1.
На основе программных комплексов ANSYS, pSeven и авторскихпрограмм разработана комплексная методика термопрочностногорасчета камеры жидкостного ракетного двигателя, учитывающаяфизическуюнелинейностьматериалаимногоэтапнуюпоследовательность режимов работы.2. Создан алгоритм уточненного расчета НДС критических зон камеры наоснове метода подконструкций и учета циклической симметриипроектируемой конструкции.3. Разработан алгоритм представления реальной конструкции со сложнойгеометриейввидеконструктивно-анизотропноймодели,реализованный в виде авторской программы расчета коэффициентованизотропии.4.
Разработана итерационная процедура определения рациональныхгеометрических параметров каналов охлаждения инновационного ЖРДс кислородным охлаждением, использующая последовательностьтермопрочностных расчетов представительного элемента.Достоверность результатов. Достоверность научных положений,выводов и рекомендаций работы обоснована:1.
Строгим использованием классических механических концепций.22. Использованием обоснованных математических моделей.3. Проверкой разработанных алгоритмов и программ на модельных итестовых задачах.4. Соответствием полученных численных результатов с данными,полученными другими авторами.5.
Сходимостью результатов на разных конечно-элементных сетках.Практическая ценность работы заключается в следующихрезультатах:1. Разработана конечно-элементная методика расчета НДС камерысгорания и сопловой части ЖРД с учетом физической нелинейностиматериалов для нескольких режимов работы.2. Разработан алгоритм и авторская программа для вычислениякоэффициентов анизотропии материала конструктивно-анизотропноймодели.3. По разработанной методике проведен термопрочностной расчеткамеры сгорания и сопловой части инновационного ЖРД.
Порезультатам расчета даны рекомендации.4. Разработанная методика позволяет создать рациональную конструкциюна этапе проектирования.5. Расчет по предложенной методике приводит к сокращению количестваогневых испытаний и, следовательно, времени и затрат припроектировании новых ЖРД.Реализация работы. Результаты диссертационной работы иразработанное программное обеспечение внедрены в учебный процессМГТУ им. Н.Э. Баумана и в расчетную практику РКК «Энергия» им.С.П. Королева.Апробация работы. Основные результаты и положения работыдокладывались и были одобрены на всероссийских и международныхнаучных конференциях:– XXIII Межд. симп.
«Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки,Жуковский р-н, 2017 г.);– Всерос. науч.-техн. конф. «Механика и математическоемоделирование в технике», посв. 100-летию со дня рождения В.И.Феодосьева (Москва, 2016 г.);– XXII Межд. симп. «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки,Жуковский р-н, 2016 г.);– VIII Межд. научный симп. «Проблемы прочности, пластичности иустойчивости в механике деформируемого твердого тела», посвященный85-летию профессора В.Г. Зубчанинова (Тверь, 2015 г.);– XXVII Межд.
Инновационно-ориентированная Конф. МолодыхУченых и Студентов «МИКМУС» (Москва, ИМАШ РАН, 2015 г.);3– Всерос. научн.-техн. конф. «Ракетно-космические двигательныеустановки», посв. 90-летию со дня рождения Заслуженных деятелей наукии техники РФ, лауреатов Государственной премии СССР, д.т.н.,профессоров Кудрявцева В.М. и Поляева В.М. и 185-летию Московскогогосударственного технического университета им. Н.Э. Баумана (Москва,2015 г.);– Итоговая научно-практическая конференция Всероссийскогоинженерного конкурса (ВИК) «Подготовка инженерных кадров в России:состояние и стратегические перспективы – взгляд молодых» (Москва,2015 г.);– XVI Всерос. науч.-техн.
конф. «Авиакосмические технологии» (АКТ2015) (Воронеж, 2015 г.);– Всерос. науч.-техн. конф., посв. 70-летию каф. Ракетных двигателейКазанского авиационного института (КАИ) (Казань, 2015 г.);– XXI Межд. симп. «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки,Жуковский р-н, 2015 г.);– ICAMAME 2014: International Conference on Aerospace, Mechanical,Automotive and Materials Engineering (Париж, Франция, 2014 г.);– XX Межд.
симп. «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Кременки,Жуковский р-н, 2014 г.);– XIX Межд. симп. «Динамические и технологические проблемымеханики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (Ярополец,2013 г.);– Научному прогрессу - творчество молодых: межд. молодежная науч.конф.
по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола,2012 г.).Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 работы, из них 3,входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованныхВАК РФ, 1 статья в зарубежном научном издании, общим объемом10.41 п.л.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, выводов, списка литературы и приложения. Материалы исследованийизложены в работе на 166 страницах с 88 ил. и 13 табл.
Библиографияработы содержит 151 наименование. Приложение изложено на 41 страницес 16 ил. и 19 табл.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы, сформулирована цельнаучного исследования, научная новизна и практическая ценность работы,приведено краткое содержание работы по главам.4В первой главе приводится обзор и анализ литературных источников,посвященный истории развития и современному состоянию методовтермопрочностных расчетов камер жидкостных ракетных двигателей(Рис.
1), а также вопросу проектирования инновационного двигателя скислородным охлаждением.Рис. 1. Общий вид и типовая камера ЖРД: 1 – корпус; 2 – смесительнаяголовка; 3 – цилиндрическая часть; 4 – сопло; а – узел пояса завесы; б –узел подвода охладителя; в – узел крепления камеры.Остается открытым вопрос разработки методики точной оценкипрочностных характеристик камеры сгорания и сопловой части ЖРД. ВРоссии оценочные расчеты проводят, как правило, по методике,предложенной В.И. Феодосьевым и получившей развитие в работах егоучеников и последователей. Над развитием теории оболочек вращения ирасчетов камер ЖРД работали Л.И.
Балабух, В.И. Усюкин, Н.А. Алфутов,Г.Г. Гахун. Работы в направлении конечно-элементного моделированияЖРД ведутся в США (Price H.G., Kasper H.J., Naraghi M.H.), Германии(Kuhl D., Riccius J.), Индии (Asraff A.K., Sunil S., Babu A.), Китае (ChengCheng, Yibai Wang).Основной интерес при моделированиикамер ЖРД представляют каналы охлаждения,т.к. именно в них возникает, так называемый,эффект «собачьей конуры», т.е. утонениеогневой стенки вплоть до нарушения еецелостности (Рис. 2).
Стандартной конечноэлементной моделью для расчета камер ЖРДстала двумерная модель, охватывающаяполовину канала охлаждения и половину ребра.Рис. 2. УтонениеОдной из современных тенденций ракетноогневой стенки прикосмической техники является разработка ЖРДиспытаниях камерс кислородным беззавесным охлаждениемкамеры, работы над которым ведутся в РКК «Энергия» им С.П. Королева,в Reaction Engines Limited (Великобритания), DLR (Германский5аэрокосмический центр). Это один из примеров перспективныхконструкций, которые диктуют новые требования к методам оценкипрочности камер ЖРД. В частности, отсутствие поясов завес ииспользование жидкого кислорода в качестве охладителя камеры приводятк высоким температурным градиентам в стенках камеры, что необходимоучесть на этапе расчета и проектирования.Во второй главе приведены основные соотношения и методы,используемые для анализа НДС камер ЖРД.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
