Диссертация (1025976)
Текст из файла
Московский Государственный технический университетимени Н.Э. Баумана____________________________________________________________________________На правах рукописиКороткая Ольга ВладимировнаРАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КАМЕРЫ ПЕРСПЕКТИВНОГОЖРД НА ОСНОВЕ МЕТОДА ПОДКОНСТРУКЦИЙДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наук01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыНаучный руководитель:д.т.н., профессорГаврюшин С.С.Москва, 20172СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................
5ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСВЯЩЕННОЙРАСЧЕТУ НА ПРОЧНОСТЬ КАМЕР ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХДВИГАТЕЛЕЙ .......................................................................................................... 121.1. Упрощенные расчеты и экспериментальные исследования ..................... 141.2. Разработка численных методик для оценки прочности камер сгорания 151.3.
Новые требования к перспективным расчетным моделям в связи споявлением многоразовых ракетных двигателей ............................................... 181.4. Проблема трехмерных расчетов .................................................................. 261.5. Инновационный двигатель с кислородным охлаждением ....................... 321.5.1. История создания двигателя с кислородным охлаждением .................
331.6. Выводы по главе 1 ........................................................................................ 43ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ИСОПЛОВОЙ ЧАСТИ ЖРД И ИХ ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ................... 442.1. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания .................................................................................................................. 452.1.1. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания без учета осевой силы ........................................................................ 462.1.2. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания с учетом осевой силы......................................................................... 492.2.
Последовательное квадратичное программирование с ограничениями. 522.3. Метод конечных элементов ......................................................................... 532.3.1. Стационарная задача теплопроводности. Разрешающее уравнениеМКЭ. .................................................................................................................... 532.4. Метод подконструкций (подмоделей) ........................................................ 612.5. Циклическая симметрия ...............................................................................
622.6. Выводы по главе 2 ........................................................................................ 643Стр.ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИПРОЧНОСТИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И СОПЛОВОЙ ЧАСТИ ЖРД ................ 653.1. Выбор оптимальных геометрических параметров ребер и каналовохлаждения ............................................................................................................. 673.1.1. Поиск рациональных значений геометрических параметров трактаохлаждения плоской модели .............................................................................
673.1.2. Поиск рациональных значений геометрических параметров трактаохлаждения 3-D модели ..................................................................................... 723.2. Уточненный поверочный расчет методом подконструкций .................... 743.2.1. Расчет коэффициентов анизотропии ...................................................... 773.2.2. Этап расчета по схеме осесимметричной оболочки .............................
833.2.3. Этап расчета подконструкций ................................................................. 843.3. Программный комплекс ANSYS ................................................................. 843.3.1. Типы конечных элементов .......................................................................
853.4. Выводы по главе 3 ........................................................................................ 87ГЛАВА 4. ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ............................. 894.1. Сравнение результатов, полученных по разработанной методикематематического моделирования с результатами, полученными по методикеВ.И. Феодосьева ..................................................................................................... 894.1.1. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания ...............................................................................................................
894.1.2. Оценка несущей способности цилиндрической оболочки камерысгорания с высокими температурными градиентами ..................................... 934.2. Сравнение результатов, полученных на разных конечно-элементныхсетках....................................................................................................................... 964.3. Выводы по главе 4 ........................................................................................ 984Стр.ГЛАВА 5. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯОПЫТНОГО ОБРАЗЦА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И СОПЛОВОЙ ЧАСТИМНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО МАРШЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ СКИСЛОРОДНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ .................................................................... 995.1. Постановка задачи ........................................................................................
995.2. Исходные данные для расчета НДС оболочки камеры ЖРД ................. 1015.2.1. Геометрия камеры и свойства материалов ........................................... 1015.2.2. Граничные условия на перемещения .................................................... 1025.2.3. Температурное состояние камеры ........................................................ 1025.2.4. Давление газа и охладителя ................................................................... 1025.3. Выбор оптимальных параметров .............................................................. 1035.3.1.
Поиск рациональных значений геометрических параметров трактаохлаждения плоской модели ........................................................................... 1035.3.2. Поиск рациональных значений геометрических параметров трактаохлаждения 3-D модели ................................................................................... 1045.4. Уточненный поверочный расчет ............................................................... 1105.4.1. Расчет коэффициентов анизотропии .................................................... 1115.4.2.
Упрощенная схема осесимметричной оболочки. Определениеперемещений ..................................................................................................... 1175.4.3. Расчет подконструкций .......................................................................... 1265.5.
Выводы по главе 5 ...................................................................................... 146ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ ............... 148СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................... 149Приложение ............................................................................................................. 1675ВВЕДЕНИЕАктуальность проблемыОбеспечениеэффективности, надежностиибезопасностимашин,приборов и аппаратуры является первоочередной задачей [52].Одной из наиболее актуальных задач на сегодняшний день являетсяразработка методик математического моделирования поведения сложныхтехнических объектов, примером является камера жидкостного ракетногодвигателя (ЖРД).Опытпоказывает,чтоводинаковойстепениваженанализработоспособности конструкции как с позиции исследования напряжений, так ис позиции исследования деформаций.
Расчет напряженно-деформированногосостояния камеры сгорания и сопловой части ЖРД имеет большоепрактическое значение [56].Оценку прочности ЖРД на сегодняшний день проводят посредствомдорогостоящихстендовыхиспытаний.Использованиематематическогомоделирования с помощью современных конечно-элементных комплексовпозволит эффективно провести анализ и синтез камеры ЖРД, существенноснизив объем экспериментальных исследований [69] и повысить надежностьконструкции. Вместе с тем, реализация метода конечных элементов напрямуюприводит к необходимости анализа громоздких конечно-элементных моделей ииспользованию суперкомпьютеров.
Актуальной становится необходимостьразработкиметодики,позволяющейсвестианализнапряженно-деформированного состояния к решению задач с существенно меньшейразмерностью.Сегодняработывнаправленииконечно-элементногомоделирования ЖРД ведутся в Германии [119, 134], США [102, 103, 104, 114,125, 126, 127, 137, 140, 141], Индии [96, 97, 98, 120], Китае [105, 147-150].Несмотря на определенные достижения в использовании методаконечных элементов для расчетов камер жидкостных ракетных двигателей,6следует отметить, что точность таких расчетов оставляет желать лучшего.
Хотяидеи трехмерных расчетов высказывались еще в 1970-х годах, ввиду сложностиреализациииз-занедостаточныхмощностейвычислительнойтехники,используются простейшие двумерные модели или упрощенные трехмерныемодели,непозволяющиедостаточноточнооценитьнапряженно-деформированное состояние конструкции.С созданием двигателей многоразового использования актуальным такжестал анализ двигателя в постановке задачи малоцикловой усталости [77], где врамках каждого цикла нагружения предполагается несколько режимов работыдвигателя.При создании инновационных 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 этапе проектирования.Целью данной диссертационной работы является создание эффективнойкомплексной методики, пригодной для расчета и проектирования камерыжидкостного ракетного двигателя.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:1.Критически проанализировать существующие подходы и методырасчета НДС камеры ЖРД с точки зрения эффективности и возможностиприменения при проектировании перспективных конструкций ЖРД.2.На основе метода подконструкций и учета свойств симметрииконструкции создать конечно-элементную модель и алгоритм расчета,пригодные для проведения нелинейного термопрочностного анализа камерыЖРДприциклическомнагружениипоследовательности режимов работы.согласнозаданноймногоэтапной73.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, посредствомсравнения с известными решениями и экспериментальными результатами.5.Применить разработанную методику для анализа камеры сгоранияи сопловой части инновационного ЖРД с кислородным охлаждением.Практическая ценность работы заключается в следующих результатах:1.Разработана конечно-элементная методика расчета НДС камерысгорания и сопловой части ЖРД с учетом физической нелинейностиматериалов при циклическом нагружении для нескольких режимов работы.2.Разработан алгоритм и авторская программа для вычислениякоэффициентов анизотропии.3.По разработанной методике проведен термопрочностной расчеткамеры сгорания и сопловой части инновационного ЖРД.
По результатамрасчета даны рекомендации.4.Разработаннаяметодикапозволяетсоздатьрациональнуюконструкцию на этапе проектирования.5.Расчет по предложенной методике приводит к сокращениюколичества огневых испытаний и, следовательно, времени и затрат припроектировании новых ЖРД.На защиту выносятся следующие положения диссертации, обладающиеэлементами научной новизны:1.На основе программных комплексов ANSYS, pSeven и авторскихпрограмм разработана комплексная методика термопрочностного расчетакамерыжидкостногоракетногодвигателя,учитывающаянелинейность материала и циклическое нагружение конструкции.физическую82.Создан алгоритм уточненного расчета НДС критических зонкамеры на основе метода подконструкций и учета циклической симметриипроектируемой конструкции.3.сложнойРазработан алгоритм представления реальной конструкции согеометриейреализованныйввидеввидеконструктивно-анизотропнойавторскойпрограммырасчетамодели,коэффициентованизотропии.4.Предложена итерационная процедура определения рациональныхгеометрических параметров каналов охлаждения инновационного ЖРД скислороднымохлаждением,использующаяпоследовательностьтермопрочностных расчетов представительного элемента.Апробация результатов работыПо теме настоящей работы были сделаны доклады на следующихмеждународных и всероссийских научных конференциях:– XXIII Международный симпозиум «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им.
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}
