Автореферат (1025975), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Основной частью камерыжидкостного ракетного двигателя является оболочка, охватывающаякамеру сгорания, зону критического сечения и сопловую часть. В расчетеЖРД на прочность наиболее трудоемким и недостаточно разработаннымвопросом является расчет камеры сгорания и сопловой части ЖРД приналичии высокого температурного воздействия, которое приводит кпластической деформации.Для проведения уточненного анализа прочности ЖРД наиболееэффективными являются численные методы.

В настоящее время такиерасчеты проводятся, как правило, с использованием метода конечныхэлементов. Для реализации этого метода существуют различныепрограммные комплексы, одним из которых является ANSYS –современный профессиональный комплекс, позволяющий решатьприкладные задачи прочности, теплообмена и т.п. Для решения задачитеплопроводностибылииспользованыуравнениятеориитеплопроводности в форме метода конечных элементов. Для нелинейнойстационарной задачи (свойства материалов зависят от температуры):[({})]{} = {({})} ,(1)где {} – вектор узловых температур, [({})] – матрицатеплопроводности, {({})} – вектор узловых тепловых потоков,обусловленных внешней тепловой нагрузкой.Высокие температурные нагрузки приводят к возникновениюпластических деформаций.

Для расчета конструкции в пластическойобласти привлечен метод Ньютона-Рафсона с целью реализации рядапоследовательных линейных приближений с коррекцией, благодаря чемуупругопластическая задача решалась итерационно.[({})]{} = {({})} ,(2)где {} – вектор узловых перемещений, {({})} – вектор узловых сил,[({})] – матрица жесткости, корректировка которой осуществляетсяитерационно в процессе минимизации невязки.Для анализа перемещений камеры использовалась расчетная схематрехслойной конструктивно-анизотропной осесимметричной оболочки.6Для детального анализа НДС камеры ЖРД применялся методконечных элементов с использованием метода подконструкций и учетомциклической симметрии (Рис. 3).Для подконструкции, показанной наРис.

3,уравнениеравновесияимеетследующий вид: K IIKT TIA K IBK IAK AAK TABK IB   DI   RI   0      K AB   DA    RA    FA  , (3)K BB   DB   0   FB где DA  и DB  содержат степени свободывдоль АА и ВВ соответственно, DI представляет внутренние степени свободы.Векторы нагрузкиRA и RI представляют нагрузки, приложенные кподконструкции; векторы нагрузки FA  иFB  являются результатом упругихРис. 3.

Циклическаясимметрия.деформаций от соседних подконструкций иПодконструкцияприложены вдоль АА и ВВ. Индекс Iобозначает внутреннюю часть.Поскольку все подконструкции идентичны, то иFB   FA(4)Тогда уравнение (3) можно привести к виду: K IIK T  K T IAIBK IA  K IBK AA  K AB K TAB  DI   RI    K BB  DA  RA (5)Учет циклической симметрии особенно эффективен при трехмерноммоделировании, когда матрица жесткости имеет большую размерность.Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания ЖРД проводилась по схеме осесимметричной оболочки методомконечных элементов и по модифицированной методике В.И.

Феодосьева.Для задачи синтеза область рациональных значений геометрическихпараметров тракта охлаждения определялась расчетом на созданныхплоской и 3-D моделях. Для поиска рациональных геометрическихпараметров применялся метод последовательного квадратичногопрограммирования с ограничениями.В третьей главе излагается комплексная методика численногомоделирования для оценки прочности камеры сгорания и сопловой части7ЖРД, алгоритмы решения задач анализа и синтеза, а также их программнаяреализация.

Необходимость учета физически нелинейных свойствматериала и большая размерность задачи ввиду сложности конструкцииприводит к тому, что прямая конечно-элементная аппроксимациястановится трудоемкой, так как даже для единичного поверочного расчетатребуются значительные вычислительные мощности. Численнаяреализациямногоэтапнойпоследовательностирежимовработысущественно усложняет задачу. Трудоемкость анализа возрастает напорядок при постановке задачи проектирования с целью синтезарациональной геометрии тракта охлаждения.Многокритериальная проблема оптимизации геометрии трактаохлаждения для повышения прочности камеры сгорания в настоящеевремя решается эмпирически на основе экспериментальных результатов.В работе предлагается комплексная методика расчета камеры сгоранияи сопловой части ЖРД.

Методика в целом состоит из двухпоследовательно выполняемых шагов: выбор рациональных с точки зренияпрочности геометрических размеров тракта охлаждения и уточненныйповерочный расчет методом подконструкций, каждый из которых в своюочередь состоит из нескольких этапов.Для поиска рациональных геометрических параметров трактаохлаждения при меридиональном расположении каналов созданадвумерная параметрическая расчетная модель, содержащая циклическиповторяющийся секториальный сегмент. Для сокращения времени навычисления сегмент состоит из одного канала охлаждения и ребра.Управляющие параметры: = [, , , ℎ, ℎ1 ] .(6)где – число каналов охлаждения, – угловая ширина канала охлаждения, – толщина огневой стенки, ℎ – толщина тракта охлаждения, ℎ1 – толщинасиловой оболочки.Накопление пластических деформаций в процессе циклической работыпотенциально приводит к разрушению конструкции.

Поэтому в качествеминимизируемыхкритериеввыбранывеличинамаксимальнойэквивалентной пластической деформации и величина максимальногоэквивалентного напряжения в представительном элементе. В результатеопределяются рациональные значения геометрических размеров ребер иканалов охлаждения.Для решения задачи поиска рациональных геометрических параметровиспользуетсяспециализированныйпрограммныйкомплексpSeven (DATADVANCE), позволяющий реализовать многокритериальнуюоптимизацию. Для интеграции оптимизационного цикла с программнымкомплексом ANSYS подготовлена авторская программа на языке APDL,8решающая последовательно стационарную задачу теплопроводности изадачу определения НДС с заданными граничными условиями.С помощью двумерной параметрической модели осуществляетсявыбор оптимальных геометрических размеров при расположении каналовохлаждения вдоль оси камеры. Трехмерная параметрическая циклическиповторяющаяся модель (Рис.

4) позволяет осуществить оптимизациюгеометрии тракта охлаждения в произвольном месте конструкции.Модель описывает циклическиповторяющийся представительныйэлемент, состоящий из огневойстенки,спиральныхканаловохлаждения и силовой оболочки впроизвольном месте конструкции засчет изменения координаты вдольоси камеры и внутреннего радиусаРис.

4. Трехмернаяогневой стенки (Рис. 5).параметрическая модельУправляющие параметры: = [, ℎ, , ℎ, ℎ1 , ], (7)где – число каналов охлаждения, – угол закручиванияканалов охлаждения (относительноплоскости, перпендикулярной осивращения).Рис. 5. Геометрические параметрыПри выполнении уточненногосечения трехмернойповерочногорасчетадляпараметрической моделипреодоления проблемы большойразмерности задачи предлагается использовать двухэтапную схему.На первом этапе расчет конструкции проводится по упрощеннойрасчетной схеме осесимметричной конструктивно-анизотропной оболочки.Наличие спиральных каналов охлаждения в стенке изделия нарушаетсимметрию конструкции.

Поэтому предлагается заменить реальнуюконструкцию конструктивно-анизотропной сплошной моделью. Подобноеупрощение позволяет с достаточной для дальнейшего анализа точностьюопределить перемещения в конструкции, не позволяя при этом оценитьНДС. Знание значений перемещений, а также локализация опасных с точкизрения прочности областей конструкции позволяет использовать методподконструкций для дальнейшего анализа критических зон. Существенноеснижение размерности задачи достигается посредством использованияметода подконструкций, а также условия циклической симметрии, котороепозволяет перейти от анализа полной модели подконструкции к анализу еециклически повторяющегося секториального сегмента.

Для приведенного9в пятой главе расчета камеры подконструкция 2 содержит 142601 узел и88960 конечных элементов, в то время как полномасштабная конечноэлементная модель всей конструкции потребовала бы порядка 48 млн.узлов и 30 млн. элементов.Для расчета однородной конструктивно-анизотропной сплошнойоболочки необходимо знать величины коэффициентов анизотропии. С этойцелью создана авторская программа, оформленная в виде макроса на языкеAPDL. Определение коэффициентов производилось посредствомуравнивания соответствующих жесткостей представительного элемента.Геометрия элемента задается параметрическим образом, что позволяетпроводить расчет для произвольного места конструкции с любым угломзакручивания каналов охлаждения.При определении НДС конструкции в качестве исходных данныхиспользуются распределения температур и давлений, полученные изгазодинамического расчета.

Предполагается, что стационарная задачатеплопроводности и теплопрочностная задача не связаны, что позволяетпроводить соответствующие расчеты независимо. Сначала решается задачатеплопроводности. В результате расчета определяется температурноесостояние осесимметричной оболочки, которое используется дляопределения НДС. Перемещения, полученные в результате расчета поосесимметричной модели, используются при проведении трехмерныхрасчетов НДС подконструкций для задания кинематических граничныхусловий. На втором этапе расчета с использованием трехмерных моделей,детально описывающих реальную геометрию, исследуется НДСподконструкций. Использование циклической симметрии позволяетограничиться расчетом части конструкции в виде секториальногосегмента.

Количество узлов в трехмерной модели больше, чем восесимметричной, поэтому для нахождения значений в промежуточныхузлах использована интерполяция. Для каждой из подконструкцийанализируются критические зоны, определенные экспериментально ипредварительным расчетом.В четвертой главе приводится проверка достоверности результатов,полученных по разработанной методике. При проведении огневыхиспытаний непосредственно НДС камеры и тракта охлаждения неопределяется.

Характеристики

Список файлов диссертации