Диссертация (1025976), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Поиск рациональных значений геометрических параметровтракта охлаждения плоской моделиДля поиска рациональных геометрических параметров тракта охлажденияпримеридиональномрасположенииканаловсозданадвумернаяпараметрическая расчетная модель (Рис. 3.2.), содержащая циклическиповторяющийсясекториальныйсегмент.Длясокращениявременинавычисления секториальный сегмент состоит из одного канала охлаждения иребра.Опасным фактором является наличие пластических деформаций, т.к.
впроцессе циклической работы [79] происходит их накопление, что можетпривести к разрушению конструкции [21, 22]. Поэтому в качестве одной изцелевыхфункцийвыбранамаксимальнаяэквивалентнаяпластическаядеформация, в качестве второй целевой функции целесообразно выбрать одиниз технологических или экономических критериев.Далее оптимизация сводится к минимизации целевых функций.
Врезультате определяются оптимальные значения геометрических размеровребер и каналов охлаждения.68Рис. 3.2.Плоская параметрическая модель = [, , , ℎ, ℎ1 ] - управляющие параметры,где – число каналов охлаждения,ℎ - толщина тракта охлаждения,ℎ1 – толщина силовой оболочки, – толщина огневой стенки.() = maxΩ () - целевая функцияДля решения задачи поиска рациональных геометрических параметровиспользуется программный комплекс pSeven [133]. Блок-схема приведена наРис.
3.3. Программный комплекс pSeven позволяет реализовать не толькомногопараметрическую, но и многокритериальную оптимизацию [57].69Рис. 3.3.Блок-схема оптимизационной программыПрограмма состоит из блока Оптимизатор (Optimizer) и подпрограммыChannelsFEModel, осуществляющей интеграцию ANSYS и расчет.В блоке Оптимизатор находится вся информация о параметрах,ограничениях и целевых функциях. Этот блок управляет процессом решениязадачи. В его основу положен метод локальной оптимизации: последовательноеквадратичное программирование с ограничениями [80].
Входящим параметромявляютсязначенияцелевыхфункций,вычисленныевподпрограммеChannelsFEModel, а также ограничение на геометрию в неявном виде70alpha<beta, т.е. alpha-360/n<0, которое при каждом запуске блока Optimizerподсчитывается вспомогательным блоком Formula. Блок Formula получает изOptimizer величины alpha и n, а обратно передает вычисленную величинуограничения.Блок Optimizer выводит скорректированные геометрические параметрыh1, t, h, alpha, n, которые передаются в блок ChannelsFEModel для дальнейшегопересчета.Блок ChannelsFEModel является составным и представляет собойподпрограмму,котораявкачествевходящихпеременныхполучаетгеометрические параметры h1, t, h, alpha, n. Далее заранее подготовленный наязыке APDL файл автоматически корректируется с учетом измененныхгеометрическихпараметров,запускаетсяANSYSвBATCH-режиме,выполняется расчет сгенерированного APDL-файла.
Из файла решенияизымаются значения целевых функций и отправляются на порт выхода изподпрограммы, откуда полученное значение уходит на порт входа блокаOptimizer.Блок-схема подпрограммы ChannelsFEModel представлена на Рис. 3.4.71Рис. 3.4.Блок-схема подпрограммы ChannelsFEModel, интегрирующей ANSYS воптимизационный циклДля интеграции оптимизационного цикла с программным комплексомANSYS подготовлена авторская программа на языке APDL, решающаяпоследовательно стационарную задачу теплопроводности и прочностнуюзадачу с заданными граничными условиями.
Текст программы приведен вПриложении.723.1.2. Поиск рациональных значений геометрических параметровтракта охлаждения 3-D моделиДвумерная параметрическая модель позволяет осуществить выбороптимальных геометрических размеров только в случае расположения каналовохлаждения вдоль оси камеры. В реальности каналы располагаются под разнымуглом закручивания, который меняется в зависимости от координаты вдоль осисопла. В связи с этим создана трехмерная параметрическая циклическиповторяющаясямодель,котораяпозволяетосуществитьоптимизациюгеометрии тракта охлаждения в произвольном месте конструкции и,следовательно, всей конструкции. Для оптимизации трехмерной моделииспользуется оптимизационная программа, разработанная для двумерноймодели (Рис.
3.3, Рис. 3.4), изменения внесены в программу на языке APDL,подключаемую в блоке ChannelsFEModel внедрения в оптимизационный циклконечно-элементногокомплексаANSYS.Использованатрехмернаяпараметрическая модель (Рис. 3.5.), сечение которой представлено на Рис. 3.6.Даннаямодельпозволяетописатьциклическиповторяющийсяпредставительный элемент, состоящий из огневой стенки, спиральных каналовохлаждения и силовой оболочки в любом месте камеры сгорания за счетизменения координаты вдоль оси камеры и внутреннего радиуса огневойстенки. Для задания нагрузки используются таблицы давлений и температур,зависящих от координаты вдоль оси сопла, найденные из газодинамическогорасчета [74, 26].
Зная текущую координату вдоль оси сопла, программаавтоматически выбирает соответствующие значения давлений и температур изтаблиц. Сначала решается стационарная задача теплопроводности. В качественагрузок выступает заданное из газодинамического расчета распределениетемператур по внутренней поверхности огневой стенки, температурнаянагрузка в каналах задается через конвективный теплообмен охладителя состенками каналов.
В результате находится распределение температур во всемобъеме представительного элемента.73Далее определяется напряженно-деформированное состояние, где вкачестве температурной нагрузки выступает найденное температурное поле, а вкачестве силовой нагрузки – распределения давлений по огневой стенке ивнутри каналов охлаждения. В рамках оптимизационного цикла варьируютсяследующие геометрические параметры (Рис. 3.6.): h1, t, h, alpha, n, gamma, где n- число каналов охлаждения; gamma – угол закручивания каналов охлаждения.Рис.
3.5.Трехмерная параметрическая модель74Рис. 3.6.Геометрические параметры сечения трехмерной параметрической модели3.2.Уточненный поверочный расчет методом подконструкцийПри выполнении уточненного поверочного расчета для преодоленияпроблемыбольшойразмерностизадачипредлагаетсядвухэтапную схему [63, 118], приведенную на Рис. 3.7.использовать75Рис. 3.7.Уточненный поверочный расчет методом подконструкций76На первом этапе расчет конструкции проводится по упрощеннойрасчетной схеме осесимметричной конструктивно-анизотропной оболочки.Симметрию конструкции нарушают спиральные каналы охлаждения. Поэтомупредлагается заменить реальную конструкцию конструктивно-анизотропнойсплошной моделью. Охлаждающие каналы «размазываются» по толщине иокружному направлению.Подобное упрощение позволяет с достаточной для дальнейшего анализаточностью определить перемещения в конструкции, не позволяя при этомоценить напряженно-деформированное состояние (НДС).Знание значений перемещений дает возможность использовать длядальнейшего анализа метод подконструкций [25, 67].
Подробное описаниеиспользуемого метода подконструкций изложено в главе 2. Меридиональныеграницыподконструкциирасполагаютнадостаточномрасстоянииоткритических сечений. В предположении справедливости принципа Сен-Венана,особенности напряженно-деформированного состояния в критических зонахнесущественно влияют на величину перемещений, задаваемых на периферииподконструкции в качестве граничных условий.При расчете подконструкций учитываются накопленные на предыдущихэтапах упругопластические деформации.Существенное снижение размерности задачи достигается посредствомиспользования условия циклической симметрии, которое позволяет перейти отанализаполноймоделиподконструкцииканализуеециклическиповторяющегося секториального сегмента [15, 44].Описание принципа циклической симметрии изложено в главе 2.Предполагается, что параметры нагрузки при переходе от одного режимак другому изменяются по линейному закону, и двухэтапная схема расчетаповторяется.773.2.1.
Расчет коэффициентов анизотропииКак уже отмечалось, наличие охлаждающих спиральных каналов спеременным углом закручивания в стенке изделия, по которым протекаетохладитель, нарушает осевую симметрию конструкции. Поэтому при анализенеоднородная по толщине и окружному направлению оболочка заменяетсяоднородной конструктивно-анизотропной сплошной моделью [10]. Для расчетакоэффициентов анизотропии создана авторская программа, оформленная в видемакроса на языке APDL [46].Текст программы представлен в Приложении.Блок-схема показана Рис.
3.8.78Рис. 3.8.Блок-схема расчета коэффициентов анизотропии79Определение коэффициентов производилось посредством уравниваниясоответствующих жесткостей представительного элемента. Метод основан наидеях, изложенных в [3, 4, 62]. На подготовительном этапе проводится расчетпредставительногоэлементареальнойконструкцииприединичныхобобщенных нагрузках в направлениях осей, результаты записываются в файл.Представительный элемент – циклически повторяющийся секториальныйсегмент, включающий в себя одно ребро и один канал охлаждения (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
