Содержание к диссертации
Введение
1. Выбор полимерных композиционных материалов и технологий изготовления лопатки спрямляющего аппарата газотурбинного авиационного двигателя 12
1.1 Применение полимерных композиционных материалов в лопатках современных газотурбинных авиационных двигателей 12
1.2 Сравнительная оценка механических свойств полимерных композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата 23
Выводы по главе 37
2. Постановка задачи расчета ндс и оценки прочности лопатки спрямляющего аппарата газотупбинного двигателя при эксплуатационных нагрузках 38
2.1 Математическая постановка задачи расчета напряженно-деформированного состояния и оценки прочности лопатки спрямляющего аппарата газотурбинного двигателя при эксплуатационных нагрузках 38
2.2 Компьютерная модель лопатки спрямляющего аппарата газотурбинного авиационного двигателя 44
2.3 Анализ напряженно-деформированного состояния прототипа лопатки спрямляющего аппарата из алюминия при воздействии эксплуатационных нагрузок 51
Выводы по главе 56
3 Исследование влияния схемы армирования на прочность и жесткость конструкции лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов 58
3.1 Анализ влияния схемы армирования и материала на прочность и жесткость конструкции лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов 58
3.2 Выбор рациональной схемы армирования и материала по результатам моделирования лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов 78
3.3 Анализ межслойных нормальных и касательных напряжений в переходной зоне лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов в уточненной постановке задачи 82
Выводы по главе 90
4. Расчетно-экспериментальное подтверждение механических характеристик лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов 91
4.1 Методика расчетно-экспериментального подтверждения механических свойств лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов при квазистатическом нагружении 91
4.2 Численное моделирование испытаний лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов при квазистатическом нагружении 97
4.3 Расчетно-экспериментальные исследования собственных частот и форм колебаний лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов 102
Выводы по главе 113
Заключение 115
Список литературы
- Сравнительная оценка механических свойств полимерных композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата
- Компьютерная модель лопатки спрямляющего аппарата газотурбинного авиационного двигателя
- Выбор рациональной схемы армирования и материала по результатам моделирования лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов
- Численное моделирование испытаний лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов при квазистатическом нагружении
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время одной из мировых тенденций при разработке авиационных двигателей является замена металлических сплавов на композиционные материалы. Это позволяет добиться значительного снижения веса изделий и повышения их эксплуатационных характеристик. Во всех современных зарубежных авиационных двигателях значительное количество деталей и узлов изготавливается из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Это узлы звукопоглощающего контура, силовые оболочки мотогондолы, сопла и узлы реверса, а также элементы вентилятора, включая обшивку, лопатку вентилятора и лопатку спрямляющего аппарата.
В перспективных российских двигателях также предусматривается применение различных изделий из ПКМ в первую очередь корпусных деталей звукопоглощающего контура, вентилятора и мотогондолы. Однако для дальнейшего совершенствования двигателя необходимо переходить к использованию композиционных материалов в более сложных и нагруженных деталях, таких как лопатка спрямляющего аппарата.
Создание лопатки спрямляющего аппарата (ЛСА) из ПКМ является комплексной научно-технической проблемой, решение которой невозможно без решения целого ряда задач механики деформируемого твердого тела (МДТТ).
Существует достаточно большое количество работ посвященных расчету различных композитных конструкций. Известны работы Н.А. Алфутова, В. В. Болотина, В.А. Бунакова, В.В. Васильева, Г.А. Ванина, П.А. Зиновьева, Л.М. Качанова, С.Г. Лехницкого, Б.Е. Победри, А.Н. Полилова, Б.Г. Попова, В.П. Трошина, Р.Б. Рикардса, А.М. Скудры, Ю.В. Соколкина, В.П. Тамужа, Ю.М. Тарнопольского, зарубежных исследователей: Г. Чея, Ч.Д. Бэбкока, В. Боттего, У. Йина, Р.К. Кананья, Д.Э. Кардоматиса, Г. Симитсеса, С. Салама и др. В последнее время при проведении таких расчетов широко используется метод конечных элементов (МКЭ) и, в частности, программные пакеты типа ANSYS и ABACUS, это отражено в работах А.Н. Аношкина, В.П. Матвеенко, И.П. Мирошниченко, В.М. Пестренина, С.Б. Сапожникова, О.Ю. Сметанникова, Н.А. Труфанова, И.Н. Шардакова и др.
Расчет композитных конструкций осуществляется как с использованием соотношений механики анизотропных пластин и оболочек, так и в полной двухмерной и трехмерной постановке задач МДТТ для неоднородной анизотропной среды. Существуют работы В.В. Болотина, Ю.И. Дмитриенко, В.Э. Вильдемана, А.А. Ташкинова, О.Б. Наймарка и других авторов, в которых рассматривается не только упругое решение, но и модели кинетических процессов накопления повреждений и развития расслоений в композиционных материалах и элементах конструкции.
Вопросы моделирования и оценки напряженно-деформированного состояния металкомпозитных и металлических лопаток авиационного
двигателя рассмотрены в работах В.А. Костышева, В.Ф. Павлова, Л.С. Шабия, И.Л. Шитарева, и др.
Однако исследованию механического поведения композитных
конструкций типа «лопатка спрямляющего аппарата» или «рабочая лопатка
вентилятора» посвящены единичные работы Т.Д. Каримбаева, В.П. Павлова,
Э.М. Нусратуллина. Таким образом, применение методов механики
деформированного твердого тела для исследования особенностей
механического поведения лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов при эксплуатационных нагрузках и оценки запасов прочности является важной практической задачей.
Целью работы является выявление зависимостей между структурой армирования, особенностями деформирования и запасами прочности лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести сравнительный анализ механических свойств различных полимерных композиционных материалов, обеспечивающих возможность создания конструкции с заданными требованиями.
-
Сформулировать постановку задачи МДТТ, разработать геометрические и математические модели для расчета напряженно-деформированного состояния, оценки прочности и жесткости конструкции из полимерных композиционных материалов.
-
Выполнить расчет и сравнительный анализ полей напряженно-деформированного состояния конструкции лопатки с различными схемами армирования при эксплуатационных нагрузках.
-
Провести экспериментальное исследование параметров деформирования и разрушения лопатки из полимерных композиционных материалов при лабораторных испытаниях для подтверждения ее механических характеристик и свойств материалов, реализуемых в конструкции.
-
Определить на основе расчетных и экспериментальных методов динамические (спектральные и амплитудно-частотные) характеристики лопатки из полимерных композиционных материалов.
Научная новизна:
разработаны новые трехмерные модели механического поведения лопатки из композиционных материалов, учитывающие параметры структуры армирования, позволяющие исследовать зависимости между параметрами структуры и особенностями ее деформирования на макроскопическом и структурном уровнях;
выявлены новые особенности напряженно-деформированного состояния и получены оценки прочности конструкции лопатки из полимерных композиционных материалов при эксплуатационных нагрузках;
получены новые экспериментальные данные о параметрах деформирования и закономерностях разрушения лопатки из композиционных
материалов в лабораторных испытаниях, имитирующих эксплуатационное
нагружение;
установлены расчетно-экспериментальные оценки динамических
(спектральных и амплитудно-частотных) характеристик лопатки из
полимерных композиционных материалов.
На защиту выносятся:
оригинальные численные модели механического поведения лопатки из полимерных композиционных материалов, учитывающие параметры структуры армирования и позволяющие исследовать зависимости между параметрами структуры и особенностями ее деформирования на макроскопическом и структурном уровнях;
совокупность полученных новых результатов расчетно-экспериментальных исследований параметров деформирования и разрушения лопатки из полимерных композиционных материалов при различных вариантах армирования.
Достоверность результатов подтверждается сравнением с экспериментальными данными. При использовании метода конечных элементов подтверждена практическая сходимость путем исследования зависимости результатов от степени дискретизации.
Практическая ценность.
Практическую ценность составляют новые трехмерные модели механического поведения лопатки из композиционных материалов; зависимости между структурой ее армирования, особенностями деформирования и запасами прочности при эксплуатационных нагрузках; экспериментальные данные о параметрах деформирования и разрушения лопатки в лабораторных испытаниях, ее амплитудно-частотные характеристики. По результатам исследований сделаны практические рекомендации по выбору полимерных композиционных материалов и схемы армирования для изготовления опытных образцов лопатки спрямляющего аппарата. Результаты исследований используются в АО «Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, ул. Комсомольский проспект, 93). Получен патент на конструкцию лопатки спрямляющего аппарата с выбранной схемой армирования № 163398.
Работа выполнена при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» по теме «Научное обоснование конструкторско-технологических решений по созданию высоконагруженных узлов перспективных авиационных двигателей, подверженных интенсивному воздействию аэродинамических факторов, из полимерных композиционных материалов на примере лопатки спрямляющего аппарата». Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0080.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийских школах-конференциях молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2015-2016), III Всероссийской научно-технической конференции «Роль фундаментальных исследований при реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» (Москва, 2016), Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (Томск, 2016), 3-ей национальной ежегодной выставке-форуме ВУЗПРОМЭКСПО 2015 (Москва, 2015), 2-ом Пермском инженерно-промышленном форуме (Пермь, 2015), 5-ой Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2016).
Полностью диссертация обсуждалась на семинарах кафедр «Механика композиционных материалов и конструкций» (д-р. техн. наук, проф. А.Н. Аношкин), «Вычислительная математика и механика» (д-р. техн. наук, проф. Н.А.Труфанов) ПНИПУ и в Институте механики сплошных сред УрО РАН (академик РАН, д-р. техн. наук, проф. В.П. Матвеенко).
Публикации.
По теме диссертационного исследования опубликовано 7 научных работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень изданий, индексируемых в Scopus или рекомендованных ВАК.
Объем работы.
Диссертационная работа изложена на 134 страницах, иллюстрированных 67 рисунками и 13 таблицами. Состоит из введения, 4 глав и заключения по результатам исследования. Список цитируемой литературы состоит из 165 наименований.
Сравнительная оценка механических свойств полимерных композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата
Запасы статической прочности к пределу прочности материала при эксплуатационных нагрузках должны быть не менее 2.0.
С учетом современного развития технологий производства изделий из полимерных композиционных материалов, можно выделить несколько перспективных технологических процессов для изготовления ЛСА.
Препреговая технология и автоклавное формование. Технология изготовления деталей выкладкой из полуфабрикатов в виде препрегов уже давно и хорошо зарекомендовала себя при производстве изделий из ПКМ для авиационной промышленности. Данный метод представляет собой выкладку предварительно пропитанного армирующего материала на специальную формообразующую оснастку с последующим отверждением в автоклавном комплексе при избыточном давлении. При этом обеспечивается высокий уровень физико-механических свойств и низкая пористость получаемых пластиков [23, 37, 44, 51, 80, 87, 94, 107, 111, 112, 121, 128, 158, 164].
В настоящее время, в ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ разработаны долгоживущие клеевые препреги, с использованием которых возможно изготовление деталей сложной формы двойной кривизны с обеспечением герметичности и весовой эффективности. В результате применения клеевых препрегов достигается повышение жесткости, прочности, трещиностойкости материала и снижение на 40-50% трудоемкости изготовления деталей, в том числе с различными закладными элементами и сотовыми заполнителями [7, 33, 35, 41, 42, 55].
На основе проведенного сравнения физико-механических характеристик и технологических параметров (режимы полимеризации, стабильность свойств при хранении и технологической обработке и т.п.) препрегов различных производителей для последующего анализа возможности изготовления ЛСА выбраны материалы (таблица 1.1), обладающие физико-20 механическими характеристиками не хуже, чем у алюминия и отвечающие требованиям технологичности производства. Среди выбранных материалов имеются углепрепреги на основе однонаправленных тканей и ровингов и равнопрочных тканей. При этом российские материалы в настоящее время уже успешно применяются при опытном изготовлении композитных деталей, для практического применения материалов иностранного производства необходимо проведение работ по экспериментальному подтверждению заявленных характеристик и технологической отработке производственного процесса.
Известно, что композиционные материалы на основе однонаправленных тканей и ровингов обладают более высокими механическими свойствами в направления армирования по сравнению с материалами из равнопрочных тканей. Однако однонаправленные композиты являются сильно анизотропными, прочность и жесткость их в поперечном направлении и при сдвиге невелика. Эффективность применения таких материалов зависит от правильного выбора схемы армирования на основе анализа НДС проектируемой конструкции при различных условиях нагружения, соответствующих всем эксплуатационным факторам. При этом даже сравнительно небольшие усилия, вызывающие кручение, изгиб, сложное нагружение конструкции, приведут в слоистой структуре анизотропного композиционного материала к поперечным и сдвиговым напряжениям, которые в процессе эксплуатации конструкции могут являться причиной возникновения и развития трещин и расслоений [88, 138, 144, 145, 156, 157, 165].
Последние появляются, как правило, в местах изменения структурных параметров слоев, например, зазорах, нахлестах, надрезах, местах перегибов, контакта с закладными, сотовыми, дополнительными армирующими элементами, а также в окрестности различных технологических дефектов: микротрещин, пустот, смоляных карманов, продольных и поперечных складок слоев, участков с повышенным или пониженным содержанием связующего. Следует отметить, что технологические дефекты часто появляются именно в зонах изменения структурных параметров, что повышает вероятность возникновения расслоений даже при небольших значениях напряжений в конструкции.
Технология RTM (ResinTransferMolding) – пропитка под давлением. Особенности технологии RTM заключаются в том, что армирующий наполнитель в необходимом количестве укладывается в форму, которая далее герметизируется, и через дренажную систему под давлением в нее подается связующее. Процесс пропитки идет до тех пор, пока связующее не заполнит все свободное пространство формы. После пропитки форму помещают в печь или пресс, где происходит отверждение детали. В случае использования в качестве связующего композиций холодного отверждения процесс формования проходит при комнатной температуре. Преимущества этого способа заключаются в отсутствии необходимости использования дорогостоящего оборудования, возможности изготовления деталей сложной формы и использования трехмерно армированных наполнителей [54]. Недостатком данного метода является сложный технологический процесс изготовления оснастки [81, 95, 104, 129, 132, 141, 148, 149, 165].
Следует отметить, что выкладка пакета из сухого армирующего наполнителя в жесткую или полужесткую форму в настоящее время осуществляются вручную. Это приводит к отклонениям получаемой схемы армирования от заданной и обуславливает разброс физико-механических свойств материала в деталях даже одной партии. При этом свойства материала в конструкции могут изменяться не только вследствие вариации углов ориентации слоев при ручной укладке пакета, но и при появлении в пакете нерегламентированных нахлестов или зазоров.
Компьютерная модель лопатки спрямляющего аппарата газотурбинного авиационного двигателя
После составления матрицы жесткости и решения системы уравнений определялись узловые перемещения, по которым во всех элементах вычислялись компоненты тензора деформаций, а с их помощью и компоненты тензора напряжений. Полученные таким образом напряжения и деформации являются осредненными по всему пакету.
Для вычисления напряжений и деформаций в слоях пакета по известным средним напряжениям и эффективным свойствам решалась следующая задача. Рассматривался слоистый композит с анизотропными слоями в системе координат ОХiХ2Х3, где ось ОХ3 перпендикулярна плоскости слоев (ОХ1Х2). Для композита считались известными тензоры средних напряжений (сг\ и деформаций (є) и тензор эффективных модулей упругости С . Требовалось определить напряжения и деформации в слоях пакета: э и О), р=1,...,п (р - номер слоя). Известно, что для слоистого композита в заданной системе координат часть компонентов а , Sj- равна соответствующим осредненным
Оставшиеся компоненты тензоров Е)Р для слоя можно выразить через осредненные напряжения и производные флуктуаций полей перемещений для слоев: є = (є33) + и ъ з є\? ={є\з) + и \ з (2.13) (р) І \ 1 ,(р) Є23 \Є23/ и2 ! Р=1,...,П 2 где u f - производная флуктуаций поля перемещений слоя p. Для слоев должен выполняться закон Гука, который в данной системе координат может быть записан в виде следующей системы уравнений:
Если слои являются ортотропными и оси симметрии слоев совпадают с осями координат пакета слоев, уравнения (2.14) упрощаются за счет того, что ЧП2 = 2212 = 4312 = 2313 = 3,3 Из третьего уравнения системы (2.13) можно вычислить іі и (p) 3,3 Z ( ЗЗ/ ЧлЗЗХ6!!/ 233 \є2і) 3333 \%3/ 2Сззі2\І2/ Чзззз (2.15) Далее по уравнениям (2.13) и (2.14) вычисляются fi u ii ii (p) (p) находятся из решения системы Флуктуации перемещений ь з и и[3 уравнений, получаемой из (2.13) 3з1з + 41з = ( 13) - 2 13 ( 23 - 2 41з ( із (2.16) 2323 и2Ъ 2313 U \ 3 = ( 23 ) — 2323 ( 23 ) — 2313 ( 13 ) После чего по уравнениям (2.14) определяются ст и із , а по (2.13) — и"із . Таким образом, задача вычисления напряжений и деформаций в слоях пакета по известным осредненным значениям решена.
В качестве аппаратного обеспечения для вычислительных экспериментов использовались ресурсы высокопроизводительного вычислительного комплекса ЦКП - «Центра высокопроизводительных вычислительных систем» ПНИПУ, имеющем следующие технические характеристики: - 88 вычислительных узлов; - 128 четырех ядерных процессоров «Barcelona-3» (всего 512 ядер); - 48 восьми ядерных процессоров «Intel Xeon E5-2680» (всего 384 ядра); - Пиковая производительность 20 Тфлопс; - Производительность в тестовом пакете Linpack 78%; - Объем системы хранения информации 12 ТБ; - Объем оперативной памяти 2816 Гбайт (128 Гбайт/узел); - Windows HPC Server 2008 в качестве исполнительной среды;
В первой главе диссертационной работы была проведена предварительная оценка упругих и прочностных свойств слоистых пакетов из нескольких видов материалов с разными схемами армирования. Эффективность того или иного решения оценивалась путем сравнения прогнозируемых характеристик композитных пакетов с аналогичными показателями основного конструкционного материала для данного изделия на данный момент – алюминием (таблица 2.2.).
Для оценки требуемых параметров прочности и жесткости лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов и отработки методики расчетно-экспериментальных исследований проведен расчет прототипа ЛСА из алюминия при воздействии комплекса эксплуатационных нагрузок заданных газодинамическими силами подробнее рассмотренными ранее. - эффективный модуль сдвига; [и] эффективный предел прочности при растяжении; [т] - эффективный предел прочности при чистом сдвиге; удельный эффективный модуль упругости; —удельный модуль сдвига; [ту Нм/к 46,9 удельный эффективный передел прочности при растяжении;— Р р эффективный передел прочности при сдвиге. В ходе проведенного математического моделирования получена оценка напряженно-деформированного состояния прототипа лопатки спрямляющего аппарата из алюминия (рисунок 2.9), и проведена оценка напряжений в соответствующих осях координат. Оценка НДС прототипа лопатки из алюминиевого сплава при эксплуатационных нагрузках проводилась для отработки методики расчетного исследования, определения полей главных напряжений и деформаций. дельный а б
Интересно отметить, что результаты математического моделирования прототипа лопатки спрямляющего аппарата из алюминия показывают, что характер деформации, возникающий в пере, изгибно-крутильный, схематично приведенный на рисунке 2.10 по оси Z конструкции пера лопатки и рисунке 2.11 по оси X.
Определение полей главных напряжений и деформаций необходимо для выбора рациональных углов армирования для конструкции лопатки спрямляющего аппарата (рисунок 2.12, 2.13).
Анализируя результаты моделирования прототипа лопатки спрямляющего аппарата, можно сказать, при данном характере деформирования главные напряжения, возникающие в конструкции (из-за особенностей геометрии), соответствуют осям конструкции X и Z. Где ось Z направлена по вертикальной оси конструкции, а ось Х в поперечном направлении.
Причем основная зона пера нагружена практически однородным полем нормальных напряжений (2 МПа), а основной нагруженной частью лопатки является место перехода с пера на верхнюю и нижнюю полку. Локализация напряжений в зонах перехода происходит, в основном, в районе передней кромки лопатки с шириной порядка 5 мм и длинной порядка 20 мм (Рисунок 2.14). При этом напряжения, возникающие в осевом направлении, равны 61,2 МПа, что при сравнении с пределом текучести алюминиевого сплава (260
Выбор рациональной схемы армирования и материала по результатам моделирования лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов
Анализ полей напряжений показал, что наибольшие напряжения реализуются в поверхностных армирующих слоях: нормальные напряжения вдоль и поперек направления волокон – в наружном слое, касательные напряжения – во втором слое (см. рисунок 3,1 г). Сравнение с предельными напряжениями для однонаправленного углепластика (препреговая технология), приведенными в таблице 1.1, показывает, что вдоль направления армирования действующие напряжения не велики по сравнению с предельными, соответствующий запас прочности по критерию максимальных напряжений составляет 3,7. Сдвиговые напряжения во втором слое также невелики.
Неудовлетворительными с точки зрения прочности являются напряжения поперек армирования в поверхностных слоях конструкции. Эти напряжения в плоскости слоя в районе кромки лопатки достигают значительной величины 180 МПа, превышая соответствующие предельные значения. Следует отметить, что предельные поперечные напряжения для однонаправленных волокнистых композиционных материалов (ОВКМ) определяются прочностью матрицы, их значение много меньше продольных и составляют порядка 40-60 МПа для большинства используемых конструкционных материалов. Область локализации высоких значений поперечных напряжений в рассматриваемой конструкции ЛСА не высока и соответствует зоне утонения конструкции в районе передней кромки. В остальной области пера лопатки уровень поперечных напряжений составляет 16 МПа, что в несколько раз меньше предельных.
Причиной возникновения этих поперечных напряжений в продольных армирующих слоях является поперечный изгиб лопатки от действующих газодинамических сил. Величина поперечного изгиба значительно меньше продольного (см. рисунок 3,6), однако при поперечном изгибе максимальные усилия возникают на кромках пера лопатки в зоне утонения пакета слоев. Эти усилия уравновешиваются напряжениями в единичных слоях, ориентированных под углами 0, 45, 90 в первой схеме армирования и 0, 60, 120 – во второй схеме, что и приводит к превышению напряжениями предельных значений.
Это обстоятельство может вызвать появление поперечных трещин в поверхностных слоях по кромкам лопатки при эксплуатационных нагрузках. Хотя при этом конструкция первоначально сохранит несущую способность, трещины при длительном воздействии вибрационных нагрузок могут расти, и вследствие привести к возникновению и развитию расслоений и потере жесткости конструкции, с последующим ее разрушением. Таким образом, рассмотренные схемы армирования ЛСА однонаправленным композиционным материалом по препреговой технологии не являются допустимыми с точки зрения прочности.
Текстильный углепластик (препреговая технология), рассмотренная схема армирования [0/45]. На рисунке 3.7 приведены поля перемещений, деформаций и напряжений, полученные в результате расчета.
Анализ полей перемещений для данного расчетного случая со схемой армирования [0;45] на рисунке 3.7 показывает, что зона максимальных перемещений находится в центре пера лопатки, что характерно для всех рассмотренных вариантов. На рисунках 3.8. - 3.9 представлены продольные и поперечные прогибы пера лопатки для схемы армирования [0;45]. Из рисунков 3.8 -3.9 видно, что максимальные прогибы наблюдаются при изгибе вдоль продольной оси лопатки (оси Z в системе координат конструкции, см. рисунок 3.7). Перемещения пера лопатки в плоскости поперечного сечения лопатки (плоскость YZ в глобальной системе координат) при продольном изгибе для схемы армирования [0;45] – в диапазоне от 0,16 до 0,59 мм. Перемещение пера лопатки при поперечном изгибе (см. рисунок 3.9) лежат в диапазоне от 0,42 до 0,59.
Анализ полей напряжений, что наибольшие напряжения реализуются в поверхностных армирующих слоях: нормальные напряжения вдоль и поперек направления волокон - в наружном слое, касательные напряжения -во втором слое (см. рисунок 3,7 г). Запас статической прочности для текстильного углепластика (препреговая технология) в направлении армирования составляет 4,7. Подробная оценка запасов прочности для всех рассмотренных вариантов приведена в следующем разделе.
Однонаправленный углепластик (RTM технология), рассмотренные схемы армирования [0/90%ь45] и [0/60/120]. На рисунке 3.10 и 3.11 приведены поля перемещений и напряжений, полученные в результате расчета. а
Анализ полей общих перемещений для схем армирования (0;90;±45) и [0;60;120] на рисунке 3.10 (а) и 3.11 (а) показывает, что зона максимальных деформаций находится в центре пера лопатки, что объясняется изгибом пера, как вдоль продольной, так и поперечной оси лопатки. Максимальные перемещения для двух рассмотренных схем армирования приблизительно одинаковы (0,83 и 0,86 мм). На рисунках 3.12 -3.15 представлены продольные и поперечные прогибы пера лопатки для схем армирования [0;90;±45] и [0;60;120]. Из рисунков 3.12-3.15 видно, что максимальные прогибы наблюдаются при изгибе вдоль продольной оси лопатки (оси Z в системе координат конструкции, см. рисунок 3.10). Перемещения пера лопатки в плоскости поперечного сечения лопатки (плоскость YZ в глобальной системе координат) при продольном изгибе для схемы армирования [0;60;120] находятся в диапазоне от 0,61 мм до 0,86 мм, а для схемы армирования [0;90;±45] - в диапазоне от 0,59 до 0,83, мм. Перемещение пера лопатки при поперечном изгибе (см. рисунок 3.13, 3.15) для двух рассмотренных схем армирования составляет порядка 0,15 мм.
Численное моделирование испытаний лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов при квазистатическом нагружении
В предыдущей главе диссертационного исследования были получены расчетные оценки запасов статической прочности и жесткости (перемещения в контрольных точках) лопатки спрямляющего аппарата при эксплуатационных нагрузках. Значения, полученные расчетным путем, требуют экспериментального подтверждения. Проведение экспериментальных исследований для подобных конструкций является отдельной и достаточно сложной задачей. Так, если для испытаний стандартных образцов материалов существуют общепринятые стандарты (ГОСТ, ASTM и т.п.), то для конструкций необходимо создание методик, которые должны учитывать все особенности механического поведения исследуемого объекта и обеспечивать возможность их реализации в эксперименте. Кроме того, необходимо получить и подтверждение физико-механических свойств композиционного материала, реализованных в конструкции. Следует отметить, что композиционный материал и конструкция создаются в одном технологическом процессе, при этом свойства материала, полученные на стандартных образцах, могут отличаться от свойств в составе конструкции.
Для рассматриваемой лопатки спрямляющего аппарата одним из ключевых вопросов экспериментальных исследований является имитация комплекса газодинамических сил, воздействующих в процессе эксплуатации. Поскольку имитация эксплуатационного воздействия в лабораторных условиях невозможна, для решения задачи экспериментального подтверждения запасов прочности и жесткости ЛСА предлагается провести расчетно-экспериментальные исследования, включающие лабораторные механические испытания при некоторой эквивалентной нагрузке, и численное моделирование напряженно-деформированного состояния ЛСА в условиях нагружения, реализуемого при этих испытаниях. Таким образом, будет реализована верификация разработанной численной модели, так и предложенной методики испытаний.
Схема механических испытаний исследуемой ЛСА представлена на рисунке 4.1. Предложенная схема учитывает реальные условия закрепления лопатки в конструкции авиационного двигателя и обеспечивает равномерное распределение нагрузки по ее поверхности. Испытания проводятся на универсальной испытательной машине при нормальных климатических условиях с постоянной скоростью нагружения до разрушения. Передача распределенного усилия на поверхность лопатки осуществляется с помощью плоского нагружающего элемента, который конструктивно имеет возможность поворота на 5 градусов относительно двух осей. Усилие от элемента на лопатку передается через специальную среду – мешок с дробью. Мешок с дробью используется для равномерного распределения нагрузки по криволинейной поверхности пера лопатки.
Поворот нагружающего элемента предложен для исключения локальных скачков нагрузки, смятия или повреждения слоев композиционного материала из-за сложной геометрической формы лопатки, а также предполагаемого характера деформирования. В процессе испытаний контролируются значения перемещения траверсы и прогиба пера лопатки в зоне максимальных перемещений (центр пера лопатки), а также величина усилия с помощью оптического датчика и датчика силы.
Образец жестко фиксируется в опоре верхней полки при помощи болтов и плотно зажимается в опоре нижней полки с помощью резиновой прокладки толщиной 2 мм (рисунок 4.2). Укладка мешка со свинцовой дробью на поверхность ЛСА для создания распределения нагрузки по поверхности пера (рисунок 4.3). Установка скорости перемещения траверсы испытательной машины -3 мм/мин. Нагружение образца до его разрушения и запись диаграммы деформирования в осях нагрузка P(Н) - перемещение А1(мм). Во время нагружения делается выдержка на трех уровнях усилия продолжительностью 5 мин. Рисунок 4.2 – ЛСА в испытательной машине Рисунок 4.3 – ЛСА при воздействии нагрузки Испытания считаются завершенными, если произошло падение нагрузки на 30% или произошло разрушение образца на 2 части. В процессе исследований было испытано 3 полноразмерных образца ЛСА из ПКМ и один прототип лопатки из алюминиевого сплава.
На рисунке 4.4. приведены графики нагружения для испытанных образцов композитной лопатки, построенные в координатах усилие – время. Отмеченные на графиках участки выдержки соответствуют трем уровням нагрузки: так, величина усилия 1300 Н эквивалентно соответствует эксплуатационной нагрузке при действии газодинамических сил, значения усилия 2600 Н и 3900 Н соответствуют двух- и трехкратному запасу прочности соответственно.