Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Системный анализ повреждаемости авиационных гтд птицами в процессе эксплуатации 19
1.1. Анализ статистических данных столкновения ЛА с птицами 19
1.2. Пути повышения безопасности полетов и снижения количества съемов двигателей из-за попадания птиц в двигатель 22
1.3. Анализ возможности оценки стойкости ГТД к повреждающему воздействию птиц на основе моделирования его повреждаемости 23
ГЛАВА 2. Исследование по выбору рациональных направлений усовершенствования модели повреждаемости гтд и ее составляющих от поражающего воздействия птиц 25
2.1. Разработка оснвных положений, обеспечивающих совершенствование модели повреждаемости ГоТД и ее составляющих от воздействия птиц 25
2.2. Исследования по созданию системы взаимодействия птиц с ГТД при попадании их на вход в двигатель 32
2.3. Исследования по усовершенствованию модели ГТД 40
2.4. Исследования по усовершенствованию и построению модели материала рабочих лопаток 42
2.5. Исследования по усовершенствованию и построению модели рабочих лопаток 74
2.6. Исследования по построению усовершенствованной модели птицы 91
2.7. Усовершенствованная модель повреждаемости ГТД 109
2.8. Методика построения адекватной численной модели повреждаемости проектируемого ГТД и методика ее уточнения 110
2.9. Методика оценки адекватности повреждаемости ГТД, воспроизведенной при численном моделировании, реальной повреждаемости 114
2.10.Возможности метода численного моделирования повреждаемости ГТД
птицами на этапе создания, изготовления и эксплуатации 121
2.11.Выбор режимов работы ГТД для стендовых испытаний при оценке повреждаемости от воздействия птиц 123
2.12.Разработка методики оценки повреждаемости ГТД на этапах создания, изготовления и эксплуатации от повреждающего воздействия птиц 126
ГЛАВА 3. Исследование по уточнению закономерностей повреждаемости гтд от поражающего воздействия птиц с использованием разработанной методики 134
3.1. Уточнение методики построения конечно-элементных моделей для конкретных ГТД при исследовании закономерностей их повреждаемости от поражающего воздействия птиц 134
3.2. Исследование повреждаемости ТРДДФ типа АЛ-31Ф и проектируемого двигателя от поражающего воздействия мелких птиц 136
3.3. Исследование по уточнению закономерности повреждаемости проектируемого двигателя при попадании на вход птиц 160
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по обеспечению стойкости гтд к повреждающему воздействию птиц 170
4.1. Уточнение и разработка рекомендаций по предотвращению повреждений ГТД от воздействия птиц 170
4.2. Некоторые направления, обеспечивающие снижение вероятности столкновения птиц с самолетом 173
Заключение 174
Список литературы
- Пути повышения безопасности полетов и снижения количества съемов двигателей из-за попадания птиц в двигатель
- Исследования по созданию системы взаимодействия птиц с ГТД при попадании их на вход в двигатель
- Методика оценки адекватности повреждаемости ГТД, воспроизведенной при численном моделировании, реальной повреждаемости
- Исследование повреждаемости ТРДДФ типа АЛ-31Ф и проектируемого двигателя от поражающего воздействия мелких птиц
Введение к работе
Актуальность исследования
Повреждения авиационных ГТД птицами, при попадании их в двигатель, способствуют снижению уровня безопасности полетов в ГА и ВКС (воздушно-космические силы), снижению уровня боеготовности в ВКС, росту числа аварий и катастроф, увеличению затрат на эксплуатацию, связанных с необходимостью проведения восстановительного ремонта поврежденного двигателя или досрочного его съема с эксплуатации.
Всего в мире за период с 1988 по 2014 год из-за столкновения воздушных судов (ВС) с птицами и другими животными погибло более 255 человек и 243 самолетов потеряно. За период с 1990 года по 2012 год в РФ зарегистрировано 1211 авиационных событий, связанных со столкновением воздушных судов с птицами. Из них 2 катастрофы, 6 аварий и 1203 инцидентов, из которых 18 серьезных. Количество зарегистрированных столкновений ВС с птицами находилось в пределах от 32 до 93 случаев в год. Вероятность попадания птиц в двигатель, от общего числа столкновений с ВС, в ГА составляет 20…40 %. Ежегодный общемировой ущерб в авиации по этой причине составляет $3…$4 миллиарда.
По прогнозам ведущих специалистов ГА, угроза авиационных происшествий из-за попадания в двигатель птиц в следующем десятилетии будет увеличиваться. Росту числа столкновений ВС с птицами способствуют:
увеличение интенсивности воздушных перевозок;
переход с 3-х или 4-х двигательных воздушных судов на 2-х двигательные воздушные суда с более мощными малошумными ГТД;
применение лопаток сложной 3D формы с тонким сверхзвуковым профилем;
приспособление птиц к жизни в городских условиях.
Одним из эффективных путей уменьшения отрицательного воздействия на ГТД птиц и улучшения показателей качества эксплуатации и безопасности полетов является создание ГТД, стойкого к повреждающему воздействию птиц. Поэтому проблема обеспечения стойкости газотурбинных двигателей к поражающему воздействию птиц в эксплуатации в настоящее время является одной из приоритетных и важных.
Принято считать, что достоверная оценка стойкости ГТД к поражающему воздействию птиц возможна только при натурных испытаниях, что отражено в авиационных правилах. Однако такая экспериментальная оценка повреждаемости и стойкости ГТД к воздействию птиц не всегда может гарантировать полную оценку свойства повреждаемости ГТД вследствие ограниченности испытаний по количеству исследуемых повреждающих факторов и больших материальных затрат. Наиболее перспективным вариантом оценки повреждаемости и стойкости ГТД к поражающему воздействию птиц является оценка, основанная на результатах повреждаемости ГТД, воспроизведенная посредством численного моделирования.
В большинстве выполненных ранее работ по оценке повреждаемости ГТД время потери работоспособности ГТД оценивается моментом начала локального разрушения материала рабочих лопаток. Начало локального разрушения материала определяют на основании результатов сравнения расчетного максимального значения одной из переменных напряженно-деформированного состояния с ее предельным значением, полученным при испытаниях образцов или с использованием верификационных тестов. В качестве переменной используются пластическая деформация (Б.Ф. Шорр), максимальная главная деформация (С.С. Куканов), интенсивность полной деформации (И.В. Демьянушко), эквивалентные напряжения (Guan Yupu) и др.
Однако практика эксплуатации ГТД в ГА и ВКС показывает, что локальные разрушения лопаток компрессора не всегда приводят к потере работоспособности ГТД. Поэтому оценка потери работоспособности ГТД и особенно ГТД с лопатками сложной 3D-формы и тонким профилем, чувствительными к повреждающему воздействию птиц, на основании локального разрушения материала рабочих лопаток в некоторых случаях может приводить к ошибочным выводам. Следовательно, оценка потери работоспособности ГТД при разрушении лопаток компрессора должна проводиться не только по изменению эквивалентной характеристики, но и по параметрам функционирования моделей повреждаемости и разрушения материала лопаток.
Следовательно, возникает необходимость совершенствования метода моделирования повреждаемости ГТД с возможными пластическими деформациями и разрушениями лопаток компрессора. Одним из направлений в решении этой задачи является путь усовершенствования составляющих модели повреждаемости ГТД от воздействия птиц, попавших в двигатель, и разработка метода построения обобщенной модели повреждаемости ГТД на основе данных системного анализа взаимодействия этих моделей.
В ранее выполненных другими авторами работах в области повреждаемости ГТД от воздействия птиц системный подход к построению модели повреждаемости ГТД на основе синтеза составляющих моделей не рассматривался.
Поэтому существует научная задача разработки «Методики оценки повреждаемости ГТД на этапах его создания, изготовления и эксплуатации от поражающего воздействия птиц», а также разработки метода построения модели повреждаемости ГТД на основе данных системного анализа взаимодействия составляющих этой модели, устраняющие отмеченные выше недостатки методик.
Степень разработанности темы
Значительный вклад в совершенствование составляющих модели повреждаемости элементов конструкции ГТД от воздействия посторонних предметов-птиц внесли отечественные ученые, такие как Б.Ф. Шорр, П.А. Моссаковский, А.Г. Нарыжный, М. Ш. Нихамкин и др., а также зарубежные ученые – M-A Lavoie, M. Anghileri, M. Selezneva, J. Frischbier и др. В разработку гидродинамической модели птицы значительный вклад внес J.S. Wilbeck. Им была предложена гидродинамическая модель материала птицы с уравнением состояния воды. В опубликованных расчетно-экспериментальных работах (Б.Ф. Шopp, С.С. Куканов, D. Chevrolet, M. Anghileri, J. Frischbier, M. Guida, M. Kim, M-A Lavoie, M. Selezneva и др.) моделирование птицы проводилось с использованием методов Лагранжа, Эйлера, сглаженных частиц (SPH) и узловых масс (NM), но без оценки их возможностей.
Одной из первых работ по численному моделированию повреждаемости ГТД от воздействия птиц в РФ является работа, выполненная в ЦИАМ им. П.И. Баранова в 2004 году под руководством Б.Ф. Шорра. К числу первых работ по численному моделированию повреждаемости ГТД относятся также работы ОАО «НПО» «Сатурн» и Саровского Инженерного центра. Исследовалась стойкость к поражающему воздействию птиц двигателя АЛ-55И. В этих работах реализовывался подход оценки возможности разрушения рабочих лопаток без использования модели разрушения. Такой подход не может быть распространен в область закритического поведения элементов конструкции ГТД при ударном воздействии птиц.
В Пермском национальном исследовательском университете и ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) в ходе расчетно-экспериментальных работ была
разработана методика моделирования повреждения полых лопаток вентилятора посторонними предметами при высокоскоростном ударе.
Во всех вышеприведенных работах демонстрируется положительный опыт моделирования повреждений посторонними предметами рабочих лопаток компрессора, облегченных (полых) широкохордных рабочих лопаток вентилятора ГТД, и не рассматривается проблема идентификации параметров модели повреждаемости материала.
В большинстве выполненных работ исследуются повреждения типа «мишени» от поражающего воздействия типа «снаряд», с применением модели разрушения материала (P. Du Bois, А.М. Брагов, П.А. Моссаковский, Л.А. Костырева, Д.В. Габов, А.Н. Крундавева, С.С. Куканов и др.). Повреждения от воздействия птицы (M. Guida, K. Minki, M. Selezneva и др.) изучаются на объектах геометрически простых структур и не исследуется проблема повреждаемости тонкопрофильных бандажированных рабочих лопаток с учетом особенностей моделирования повреждаемости. В действительности при моделировании повреждаемости и разрушения существуют три проблемы: нерегулярность КЭ-сетки; вырожденность (высокий аспект) солидных элементов; сложное и многоаспектное нагружение. Указанные задачи решаются изолированно друг от друга и отсутствует решение при комплексном рассмотрении этой проблемы, особенно в приложении к задаче повреждаемости с разрушением тонкопрофильных лопаток сложной геометрической формы.
Приведенный выше анализ результатов исследований российских и зарубежных ученых по повреждаемости ГТД от воздействия птиц свидетельствует о следующем:
-
Проблема исследования повреждаемости ГТД от воздействия птиц и обеспечение его стойкости к поражающему воздействию попавших в двигатель птиц в настоящее время является одной из приоритетных и актуальных.
-
Разработанные к настоящему времени модели повреждаемости ГТД и ее составляющих от воздействия птиц не в достаточной степени адекватны реальным объектам и процессам повреждаемости. Поэтому точность воспроизведения повреждаемости ГТД с использованием разработанных моделей не всегда обеспечивается.
-
Достижение требуемой точности и адекватное воспроизведение реальной повреждаемости ГТД возможно на основании усовершенствования моделей повреждаемости, учитывающих системную связь компонентов модели повреждаемости ГТД и модели в целом, отражающей повреждаемость фактического ГТД.
Объект исследования: авиационный ГТД.
Предмет исследования: методы и модели оценки повреждаемости ГТД от поражающего воздействия птиц.
Цель исследования: разработка методики оценки повреждаемости ГТД на этапах его создания, изготовления и эксплуатации от поражающего воздействия птиц.
Работа направлена на повышение качества разработки ГТД и безопасности эксплуатации воздушных судов.
Решены следующие научные задачи, позволившие достичь цели исследования:
-
Системный анализ повреждаемости авиационных ГТД птицами в процессе эксплуатации.
-
Обоснование и разработка методики оценки повреждаемости ГТД на этапах его создания, изготовления и эксплуатации от поражающего воздействия птиц.
-
Построение модели повреждаемости ГТД при попадании птиц в двигатель на основе системного анализа взаимодействия компонентов, составляющих модель повреждаемости ГТД.
-
Обоснование и разработка модели повреждаемости рабочих лопаток вентилятора из титанового сплава ВТ6 с учетом результатов испытаний образцов из этого материала и обобщенных зависимостей.
-
Уточнение закономерностей повреждаемости ГТД от воздействия птиц по данным моделирования с использованием разработанной методики и результатам стендовых испытаний.
-
Разработка рекомендаций научно-исследовательским, проектным и эксплуатирующим организациям по обеспечению повышения уровня безопасности полетов, связанных с повреждаемостью ГТД от воздействия птиц.
Методы исследования. В процессе выполнения работы использовались методы численного моделирования и системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории упругости, пластичности и пластического течения, теории гидродинамики, метод конечных элементов для решения дифференциальных уравнений физики деформируемого твердого тела, реализованный в программе LS-DYNA с явной схемой интегрирования по времени.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
Научно-методический подход построения модели повреждаемости ГТД от поражающего воздействия птиц при попадании их в двигатель, который основан на системном анализе взаимодействия компонентов, составляющих модель повреждаемости ГТД.
-
Методика создания численной модели повреждаемости ГТД от поражающего воздействия мелких и средних птиц и проверки адекватности численной модели.
-
Методика оценки повреждаемости ГТД на этапах его создания, изготовления и эксплуатации от поражающего воздействия птиц.
-
Обобщенная модель повреждаемости проектируемого двигателя при попадании в двигатель мелких и средних птиц и усовершенствованные численные модели, составляющие модель повреждаемости проектируемого двигателя от поражающего воздействия птиц.
-
Результаты исследований повреждаемости проектируемого двигателя при попадании в двигатель мелких и средних птиц с использованием разработанной методики.
-
Результаты сравнительного анализа стойкости проектируемого двигателя и АЛ-31Ф к поражающему воздействию птиц по данным разработанной методики и результатам специальных стендовых испытаний двигателя АЛ-31Ф.
Научная новизна результатов исследования, полученных лично автором, состоит:
-
В постановке, теоретическом обосновании научных направлений по построению обобщенной модели повреждаемости ГТД при попадании в двигатель птиц и усовершенствованию составляющих модель компонентов.
-
В усовершенствовании:
компонентов, составляющих модель повреждаемости ГТД от поражающего воздействия птиц;
модели повреждаемости ГТД от поражающего воздействия птиц.
3. В разработке:
- научно-методического подхода построения модели повреждаемости ГТД от
поражающего воздействия птиц на основе системного анализа взаимодействия
компонентов, составляющих модель повреждаемости;
методики создания численной модели повреждаемости ГТД от поражающего воздействия мелких и средних птиц и проверки адекватности численной модели;
методики оценки повреждаемости ГТД на этапах его создания, изготовления и эксплуатации от поражающего воздействия птиц;
обобщенной модели повреждаемости рабочих лопаток вентилятора из титанового сплава ВТ6, учитывающей условия нагружения и регулярность КЭ-сетки в модели;
обобщенной модели повреждаемости проектируемого ТРДДФ от поражающего воздействия средних и мелких птиц.
-
В уточнении закономерностей повреждаемости ГТД в зависимости от конструкции ГТД и поражающего воздействия птиц.
-
В выявлении ограничений на применение разработанных к настоящему времени составляющих модель повреждаемости ГТД от поражающего воздействия птиц.
Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных в диссертации, достигается путем корректного применения достижений в области фундаментальных наук и теории прочности, выбора математических моделей повреждаемости и подтверждается сходимостью результатов численного моделирования с экспериментальными данными.
Практическая значимость работы. Разработанная методика оценки повреждаемости ГТД на этапах его создания, изготовления и эксплуатации от поражающего воздействия птиц позволяет научно обоснованно:
производить оценку повреждаемости рабочих лопаток компрессора ГТД при попадании в двигатель мелких и средних птиц на этапах создания, изготовления и эксплуатации как перспективных, так и серийных газотурбинных двигателей;
снизить затраты на разработку ГТД за счет исключения части стендовых испытаний, необходимых для оценки стойкости двигателя к поражающему воздействию птиц;
создавать рациональные и безопасные конструкции ГТД;
обеспечить требуемый уровень безопасности полетов на основе результатов моделирования повреждаемости ГТД для различных условий эксплуатации;
снизить затраты на установление причин повреждений ГТД в эксплуатации за счет исключения экспериментов и замены их численным моделированием повреждаемости ГТД.
Полученные результаты могут использоваться:
в работе конструкторских бюро, разрабатывающих ГТД;
в организациях ГА и МО РФ при проведении исследований по установлению причин снижения уровня безопасности полетов из-за повреждений ГТД и определении условий возникновения реальных повреждений путем реконструкции повреждений;
в НИИ ГА и МО РФ при разработке технических требований к создаваемым ГТД;
в Высших учебных заведениях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационная работа выполнена в соответствии паспорта по специальности 05.22.14 – Эксплуатация воздушного транспорта
п. 2 «Разработка методологических основ и инженерно-авиационных методов и средств обеспечения безопасности полетов, расследование авиационных происшествий и инцидентов», п. 3 «Разработка методов повышения эффективности эксплуатации воздушных судов, их функциональных систем и комплексов, наземных средств
обеспечения исправности и работоспособности авиационной техники», п. 4 «Системный анализ и управление процессами эксплуатации объектов воздушного транспорта».
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались на секции Ученого совета ГосНИИ ГА, на конференциях: IV международная научно-техническая конференция «Проблемы динамики и прочности в турбомашиностроении» (Киев, Украина, 2011), Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ (Самара, 2012), Научно-технический конгресс по двигателестроению (НТКД, 2014), III научно-практическая конференция «Инновационные направления в расчетах прочности с использованием суперкомпьютеров и грид-технологий» (Снежинск, 2014), Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 70-летию основания кафедры ракетных двигателей Казанского авиационного института (КАИ) (г. Казань, Россия, 2015 г.), ХVI Международной научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (г. Воронеж, 2015 г.).
Научные результаты диссертационной работы использовались и реализованы:
в «ОКБ им. А. Люльки» филиал ОАО «УМПО» при разработке перспективного ТРДДФ по обеспечению его стойкости к поражающему воздействию птиц (Акт от 08.09.2015 г. о реализации в ОКБ им. А. Люльки – филиале ОАО «УМПО» результатов диссертационной работы Кирсанова А.Р.);
в ОАО «НПО «Сатурн» по обеспечению необходимого уровня стойкости ГТД к поражающему воздействию птиц (Акт от 14.01.2016 г. о реализации в ОАО «НПО «Сатурн» результатов диссертационной работы Кирсанова А.Р.);
специалистами на научно-технических совещаниях по созданию безопасных перспективных ГТД стойких к поражающему воздействию птиц;
- в учебном процессе МАИ (Национальный исследовательский университет).
Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы
опубликованы в 9 публикациях, в том числе в 3 научных статьях в научных изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, в докладах, сделанных на международных и общероссийских научных конференциях, научно-технических заседаниях НИИ РФ. Личный вклад автора. Автор лично:
разработал научно-методический подход построения модели повреждаемости ГТД от воздействия птиц на основе системного анализа взаимодействия компонентов, составляющих модель повреждаемости ГТД;
выполнил системный анализ причин, снижающих уровень безопасности полетов из-за столкновения ВС с птицами в России и за рубежом, и выявил основные факторы, влияющие на стойкость ГТД к поражающему воздействию птиц;
выполнил усовершенствование компонентов, составляющих модель повреждаемости ГТД при попадании птиц на вход в двигатель;
разработал методику оценки повреждаемости ГТД на этапах его создания, изготовления и эксплуатации от поражающего воздействия птиц;
уточнил закономерности повреждаемости и стойкости ГТД к поражающему воздействию птиц по данным разработанной методики и результатам стендовых испытаний;
разработал алгоритмическое обеспечение численного моделирования повреждаемости ГТД от поражающего воздействия птиц.
Все научные результаты получены самостоятельно.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы,
приложения. Материалы диссертации изложены на 190 страницах машинописного текста. Библиография включает 141 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Пути повышения безопасности полетов и снижения количества съемов двигателей из-за попадания птиц в двигатель
Анализ статистических данных столкновения ЛА с птицами проведен по данным эксплуатирующих предприятий ГА, НИИ ВВС, ОКБ промышленности России и статистических данных зарубежных фирм [61, 97, 134].
При столкновении воздушных судов с птицами для самолетов гражданской авиации вероятность попадания птиц в двигатель составляет примерно 40%.
На территории России и стран СНГ наиболее часто самолеты сталкиваются с голубями и чайками (рис. 1.1).
Согласно статистическим данным подавляющее число столкновений отмечено в районе аэродрома в интервале высот от 0 до 100 метров – более 80 % от общего количества (рис. 1.2) [57]. Данные, приведенные в [61] об относительном количестве случаев столкновения воздушных судов (ВС) гражданской авиации с птицами (рис. 1.3) в зависимости от высоты полета, свидетельствуют о том, что на высотах до 100 м происходит 56 % всех зарегистрированных столкновений. С увеличением высоты полета количество столкновений резко падает.
По данным ICAO количество столкновений ВС с птицами резко сокращается с увеличением высоты полета (рис. 1.4). На высотах до 25 м от земли количество столкновений составило 61 % от общего числа, а выше 250 м – около 2 %. Согласно статистическим данным США (рис. 1.5) [13, 78] характер распределения случаев столкновений ВС с птицами по высоте полета аналогичен. Большая часть столкновений (около 60 %) происходит на малых высотах от земли, до 150 м, и резко убывает до 15 % на высотах от 150 до 300 м и т.д. Для самолетов ВВС в 95% случаев столкновение происходит на высотах от 0 до 500-700 м в районе аэродрома в процессе взлета, набора высоты, посадки, захода на посадку и пробега.
Зависимость случаев столкновения ВС с птицами N от высоты полета H по данным ВВС США за 1986 г. Столкновение воздушных судов ВВС с птицей наиболее вероятно при заходе на посадку на высоте 300 м при скорости полета 300-400 км/ч. Вероятность столкновения ГТД с птицей на взлете в ВВС уменьшается из-за кратковременности процесса взлета.
В эксплуатации, зачастую, факт попадания птиц в ГТД устанавливается по косвенным признакам. Фиксируются только случаи, которые вызывают какие-либо изменения в работе двигателя. Часто не фиксируются случаи попадания мелких птиц на режимах с низкими оборотами ротора. Поэтому приведенные статистические данные о попадании в ГТД птиц должны корректироваться с учетом этого фактора.
Согласно [61] процент случаев столкновений с птицами на режиме захода ВС на посадку самый высокий и составляет 35 %. На режимах взлета – 30 %, и на режимах посадки – 22%. Существенно меньше случаев столкновений с птицами отмечается в течение продолжительного времени полета по маршруту – 11%. На стоянках и на режимах буксировки ВС количество случаев столкновений с птицами незначительно (рис. 1.6).
За период с 1990 по 2014 годы количество зарегистрированных столкновений с птицами находится в пределах от 32 до 93 случаев в год (рис. 1.7) [2, 57, 75]. Рис. 1.7. Динамика абсолютного числа зарегистрированных столкновений воздушных судов коммерческой авиации с птицами N за 2002-2013 гг.
Основными путями повышения безопасности полетов и сохранения работоспособности двигателя при столкновении воздушных судов с птицами являются конструктивные, организационные и эксплуатационные, состоящие в отработке мероприятий: - по повышению безопасности полетов на основе анализа случаев столкновения воздушных судов с птицами в эксплуатации и выявленных данных о режимах полета и работы двигателя, количестве и размерах попавших в двигатель птиц, характере повреждений двигателя и пр.; - по предотвращению или уменьшению вероятности столкновения воздушных судов с птицами в зоне аэродрома и возможных траекторий полетов самолетов; - по предотвращению разрушений и опасных повреждений рабочих лопаток компрессора при попадании птиц в двигатель; - по предотвращению попадания птиц в проточную часть и во внутренний контур двигателя. 1.3. Анализ возможности оценки стойкости ГТД к повреждающему воздействию птиц на основе моделирования его повреждаемости
Стойкость ГТД к повреждающему воздействию птиц зависит от свойства конструкции двигателя, определяющего ее способность сопротивляться восприятию и накоплению повреждений от внешних поражающих воздействий. Это свойство закладывается в конструкцию на этапе проектирования ГТД. Соответственно оно должно оцениваться на этом этапе при наличии соответствующих методик.
Принято считать, что достоверная оценка стойкости ГТД к поражающему воздействию птиц при ударном их воздействии на конструкцию возможна только при натурных испытаниях, что отражено в авиационных правилах. Однако экспериментальная оценка повреждаемости и стойкости ГТД к воздействию птиц не всегда может гарантировать полную оценку свойства повреждаемости ГТД вследствие ограниченности испытаний по количеству исследуемых повреждающих факторов и больших финансовых и материальных затрат.
Наиболее перспективным вариантом оценки повреждаемости и стойкости ГТД к поражающему воздействию птиц является оценка, основанная на воспроизведении повреждаемости ГТД путем численного моделирования. Численное (компьютерное) моделирование позволяет проводить исследования поведения больших и сложных систем, трудно поддающихся для аналитического исследования.
Кроме того, компьютерный эксперимент, по сравнению с натурным экспериментом, позволяет воспроизводить различные условия эксперимента с моделью, реализовывать различные планы эксперимента, которые могут оказаться нереализуемыми в экспериментах с реальными объектами. В частности, создание численной модели на основе системного анализа взаимодействия подсистем в системе.
Исследования по созданию системы взаимодействия птиц с ГТД при попадании их на вход в двигатель
Анализ результатов исследований повреждаемости ГТД от воздействия птиц с использованием существующих методов и методик, применяемых в России на некоторых предприятиях и за рубежом, позволил выявить недостатки этих методов и методик, снижающих точность и достоверность результатов моделирования. На основании анализа недостатков и достоинств этих методов в диссертации определены основные пути их совершенствования с целью повышения точности и достоверности результатов исследования. Основными из которых являются усовершенствование моделей на уровне физических моделей и усовершенствование моделей на уровне формирования численной модели.
Потеря работоспособности двигателя, поврежденного птицами, происходит вследствие действия следующих причин: – возникновения недопустимых повреждений элементов конструкции проточной части КНД от поражающего воздействия птиц; – засорения проточной части и воздушных систем двигателя останками птиц; – нарушения функционирования систем двигателя вследствие попадания в тракт двигателя останков птицы и жестких фрагментов от разрушенных элементов конструкции. В данной работе основное внимание уделено исследованию по формированию усовершенствованных моделей, обеспечивающих достоверное установление и уточнение закономерностей повреждаемости элементов конструкции проточной части КНД ГТД от поражающего воздействия мелких и средних птиц, как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации. Воздействие крупных птиц в данной работе рассматривалось в предположении, что исследование повреждаемости ГТД от мелких и средних птиц позволяет получить более общие данные, необходимые для формирования усовершенствованных моделей и для других случаев воздействия птиц. Разработанные методики построения моделей и исследование повреждаемости элементов конструкции проточной части ГТД от поражающего воздействия мелких и средних птиц с определенными дополнительными ограничениями полностью применимы и к случаю повреждения ГТД крупными птицами.
Анализ динамики повреждения ГТД от поражающего воздействия птиц показывает, что процесс повреждения ГТД определяется характером функционирования системы, элементами которой являются птица, воздушный поток, элементы конструкции проточной части КНД, свойства которых в процессе повреждения меняются. Взаимосвязь и взаимодействие элементов этой системы с изменяющимися свойствами определяет характер повреждения ГТД. Поэтому достоверное определение процесса повреждения ГТД птицами возможно только при исследовании процесса повреждения с учетом взаимосвязи и взаимодействия элементов системы, определяющей процесс повреждения.
Следовательно, усовершенствование модели повреждаемости ГТД и ее составляющих должно проводиться с учетом системной взаимосвязи элементов системы, определяющей процесс взаимодействия птиц с элементами проточной части ГТД.
Система, определяющая процесс реального взаимодействия птиц друг с другом и птиц с элементами проточной части ГТД, достаточно сложная в математическом и количественном отношении, что создает условия практической невозможности использования аналитических подходов. Исследование такой системы может быть успешно проведено с использованием численного моделирования, которое позволяет рассчитывать реальные характеристики в ходе моделирования [50]. Исследование в этом случае проводится путем замены реальной системы численной моделью.
Решение об использовании метода численного моделирования для исследования повреждаемости ГТД от воздействия птиц может быть принято на основании сравнения этого метода с методами, использующими аналитические подходы и натурные испытания.
Из сравнения метода численного моделирования с методом, использующим аналитический подход, следует: – большинство сложных систем невозможно точно оценить аналитически, поэтому моделирование становится единственно возможным методом их исследования; – разработка численных моделей стоит дорого и занимает много времени; – в некоторых исследованиях наряду с численным моделированием можно использовать аналитические модели, которые могут предложить рациональные альтернативы численному моделированию. Из сравнения метода численного моделирования с методом, использующим натурные испытания, следует: – метод численного моделирования экономичнее, так как обеспечивает сбережение реальной системы; – моделирование позволяет оценить эксплуатационные показатели состояния системы при проектных условиях эксплуатации; – моделирование позволяет сравнивать различные варианты проектов (конструкции) системы и определить, какой из них больше соответствует требованиям; – моделирование обеспечивает гораздо более эффективный контроль условий эксперимента, чем в натурном эксперименте; – моделирование обеспечивает многоаспектность анализа. При использовании численной модели возникают затруднения с оценкой ее способности в достаточной степени отражать реальную систему, чтобы можно было принимать необходимые решения на основе результатов моделирования. Т.е. возникает проблема адекватности модели. Эта проблема положительно решается при наличии возможности проведения натурного эксперимента при различных условиях попадания птиц на вход в двигатель. Однако такой подход затруднителен из-за больших затрат на испытания и последствий испытаний.
Поэтому при исследовании повреждаемости ГТД на основе моделирования параллельно с разработкой численной модели должна решаться задача по оценке адекватности системы. В частности, адекватности системы взаимодействия птиц с элементами конструкции ГТД реальной системе, определяющей процесс повреждения.
Методика оценки адекватности повреждаемости ГТД, воспроизведенной при численном моделировании, реальной повреждаемости
Анализ результатов исследований повреждения и разрушения материала рабочих лопаток компрессора различных типов ГТД показал, что построение модели материала рабочих лопаток должно проводиться с соблюдением следующих условий:
Модель деформирования материала должна быть построена с использованием экспериментальных данных, полученных при статических и динамических испытаниях одноосного растяжения образцов, и представляться в виде: - зависимости напряжения пластического течения ау от пластической де формации и скорости пластической деформации a=f(s sp); (2.23) - условия текучести Мизеса, которое определяет поверхность текучести f = a -а 0, (2.24) jy=f3[a0+fh{p)], (2.25) где/й (єр) - функция упрочнения, заданная таблично; (3 - параметр, соответствующий эффекту скорости деформации; - изотропности упрочнения [136]: компоненты девиатора тензора напряже ний и скоростей деформации имеют нулевой след (суммы диагональных элемен тов равны нулю). 2. Модель материала рабочих лопаток при ударном воздействии птицы должна учитывать: - охрупчивание материала рабочих лопаток в зависимости от гидростатического растяжения и скорости деформации; - сеточную зависимость.
В программах с явными схемами в упругой области используется линейное соотношение между скоростью напряжения и скоростью деформации, выраженное в системе координат общего вращения. Девиатор тензора скорости напряжения определяется по девиатору тензора скоростей деформации. Тогда давление в зависимости от скорости объемной деформации может быть определено следующей системой уравнений S = 2Gsd,p = -Ksd=-K,p = -K-ln = K-ln, (2.26) V V0 р0 где G - модуль сдвига; К - объемный модуль упругости: Следовательно, гипоупругость может быть определена, как -{ + ) (2.28) Тогда численный алгоритм для определения переменных упругого состояния в центральных разностях можно представить, как: s"+1 = s"+2Gsdn+1/2At,p"+1 =p"-Ksw/2At,a"+1 =s"+1-pn+1I. (2.29) 2.4.6. Особенности построения алгоритма расчета упругопластической задачи В работе упругопластическая деформация металлов определяется функцией текучести, как 1 0",, ф = 1]8і]- 3 0, (2.30) где о-у = р[сту0 +fh (єр)] - текущий предел текучести; о-уо - статический предел текучести; Sij - тензор девиатора напряжений; fh (єр) - функция упрочнения, заданная таблично; /3– параметр, соответствующий эффекту скорости деформации. Напряженное состояние считается упругим, если: - напряженное состояние располагается ниже поверхности текучести; - эквивалентная пластическая деформация остается постоянной (скорость эквивалентной пластической деформации равна нулю). Напряженное состояние считается пластическим, если: - напряженное состояние располагается на поверхности текучести; - эквивалентная пластическая деформация возрастает (скорость эквивалентной пластической деформации больше нуля).
Тогда численно упругопластическая задача формулируется как определение напряжения в момент времени на шаге (п+1), если известны напряжения в момент времени на шаге (п) и скорость полной деформации в момент времени на шаге (и+1/2). В этом случае новые значения рассчитываются по предыдущим значениям предела текучести и эквивалентной пластической деформации.
Решения подобной задачи в программах с явными схемами проводятся с применением алгоритма радиального возврата [139]. Алгоритм обладает простотой и достаточной точностью, что позволяет его использовать в данной работе [21] в виде: 1. Определение пробного упругого напряжения s =s"ei.+2GAedi., где приращение деформации s"+ = s" + 2GAsd 2. Оценка пробного упругого напряжения а т = J-s s на условие теку чести cjn+1 - ти 0. (2.31) 3. Оценка процесса: если условие (2.31) выполняется, то процесс упругий. 4. Оценка процесса: если условие (2.31) не выполняется, т.е. процесс упру-гопластический, то проводится возврат на поверхность текучести. Возврат осуществляется по направлению скорости пластической деформации и состоит в разложении закона поведения материала по компонентам девиатора тензора напряжений. В результате новое упругопластическое напряжение получается умножением пробного напряжения на скалярную функцию приращения пластической деформации, равную отношению предела текучести т" к пробному напряжению Мизе n+1
Кривые деформирования построены по данным статических и динамических испытаний при одноосном растяжении образцов из материала рабочих лопаток компрессора. Обработка экспериментальных кривых деформирования проведена в таком объеме, что позволила получить все необходимые параметры, характеризующие упругопластические свойства повреждаемого материала. Так как экспериментальные данные включают в себя определенную погрешность в виде осцилляций, то учет этого явления проведен путем сглаживания кривых с использованием метода скользящего среднего.
В момент начала местного сужения образца сила достигает своего максимального значения и при развитии сосредоточенной деформации убывает. Поэто 51 му у пластичных металлов ав не характеризует сопротивления разрушению и соответствует лишь моменту перехода от равномерной к сосредоточенной деформации [8, 26]. При обработке экспериментальных данных связь между условной относительной деформацией so и истинной (логарифмической) деформацией є оценивалась по соотношению є = ln(1 + є0), (2.33) гдеS0=AL / L0. Действительная площадь сечения образца при растяжении определялась из условия, что пластическое течение происходит при неизменном объеме, тогда (1 + 0), (2.34) где т– истинное напряжение; а0 - условное напряжение. В этом случае зависимость истинного напряжения т от логарифмической деформации є называется действительной диаграммой деформирования. Для одноосного растяжения истинная диаграмма располагается выше инженерной (рис. 2.6). Коэффициент наклона диаграммы на упругом участке при одноосном растяжении равен модулю Юнга.
Обобщение результатов испытаний проведено путем выражения характеристик деформирования через интенсивности.
Угол наклона упругого участка обобщенной диаграммы отличается от диаграммы растяжения. Тангенс угла наклона упругого участка обобщенной кривой деформирования равен 3G. Поэтому при переходе от одноосного растяжения к обобщенному случаю необходимо учитывать изменение угла наклона при построении обобщенной диаграммы деформирования.
Исследование повреждаемости ТРДДФ типа АЛ-31Ф и проектируемого двигателя от поражающего воздействия мелких птиц
Плотность лагранжевой КЭ-сетки определяется требуемой точностью описания геометрии детали и ее деформированной формы. КЭ-модель детали, как и нагрузки, влияют на градиент напряжений. Поэтому места с высоким градиентом требуют более высокой плотности сетки по сравнению с областями, где градиенты не так круты. Для моделирования пластической нелинейности требуется более двух точек интегрирования на толщину.
Если исследуется поле перемещений конструкции, в которой возможна текучесть без разрушения, тогда относительно грубая КЭ-сетка может быть вполне достаточной.
Если моделируется поведение детали, которая во время расчета теряет устойчивость или складывается, тогда требуется существенно более мелкая сетка. Чтобы определить достаточность размера КЭ-сетки, нужно увеличить ее плотность и рассмотреть сходимость решения. Если оба решения близки, то размер сетки достаточен. Данный подход может быть использован и для задач с разрушением, анализируя достаточность плотности сетки в зонах пластичности до наступления расчетного момента разрушения.
Если требуется оценить возможность разрушения детали при экстремальных нагрузках, тогда, чтобы спрогнозировать разрушение, потребуется мелкая сетка. Сложность с мельчением сетки состоит в том, что принятый в расчетах критерий разрушения привязан к размеру КЭ-сетки, зависит от него, но поскольку КЭ-сетка изменилась, то решение может не сойтись с действительностью. В этом случае требуется откалибровать с использованием экспериментальных данных критерий разрушения под новый используемый размер конечных элементов. Если размер КЭ-сетки изменяется, то и критерий разрушения должен также изменяться, чтобы получить хорошее совпадение результатов моделирования с результатами испытаний. Полученный вывод явился одним из важных факторов и использован в работе.
Однако, слишком мелкая сетка, достаточная с точки зрения точности, может оказаться неприемлемой из-за большого количества степеней свободы и существующей зависимости временного шага от размера элементов.
Поэтому должен быть найден компромисс между мелкой сеткой, для получения адекватного результата, и получением результата в требуемое время. Все-таки, большинство расчетчиков жертвуют качеством КЭ-сетки в интересах экономии времени, т.к. качественная сетка в расчетном отношении очень трудоемкая. Но часто пренебрежение качеством КЭ-сетки для получения быстрых результатов приводит к ложным и неверным выводам, так что в дальнейшем все равно требуется переразбивка КЭ-сетки с повторным анализом. В данной работе исследование проведено без потери качества КЭ-сетки.
Сложно предложить заранее готовый рецепт для КЭ-разбиения. На практике это является в основном вопросом инженерного решения, основанного на личном опыте и конкретной ситуации. Если есть сомнения, то рекомендуется исследовать чувствительность к размеру КЭ-сетки.
Плотность КЭ-сетки рабочего элемента является основополагающим параметром в модели повреждаемости ГТД при взаимодействии с птицей, к которому привязаны остальные основные компоненты вычислительного комплекса: – параметры модели повреждаемости и разрушения материала рабочих лопаток титанового сплава ВТ6, являясь сеточнозависимыми величинами, подстраиваются под актуальный размер конечных элементов лопатки на основании тестовых расчетных случаев из архива стендовых испытаний; – требуемая плотность частиц численной модели птицы определяется относительно плотности КЭ-модели лопатки с точки зрения точности описания ударного импульса. С другой стороны, плотность КЭ-сетки рабочего элемента является начальным параметров по настройке требуемой расчетной трудоемкости полной модели с учетом используемых вычислительных ресурсов. Поэтому расчетная трудоемкость является одним из основных показателей эффективности и рентабельности исследований посредством численного моделирования и целесообразности применения этого метода в исследованиях повреждаемости элементов конструкции ГТД.
Проведенные автором исследования показали, что для оценки повреждаемости элементов конструкции ГТД КЭ-модель рабочей лопатки может быть построена на основе шестигранных элементов с характерным размером КЭ-сетки 2 мм. В этом случае объем одной лопатки составляет 19 тыс. элементов (рис. 2.32, а). Достаточность принятой величины дискретизации рабочей лопатки определялась по точности упругопластического решения при попадании средней птицы в среднюю область первого рабочего колеса. Точность решения оценивалась на основании сравнительного анализа сходимости результатов моделирования с более плотной КЭ-сеткой характерного размера 1 мм и количества элементов – 44 тыс. (рис. 2.32, б). При сравнении сходимости решений сравнивались: 1. Геометрия деформированной формы рабочей лопатки от воздействия птицы (рис. 2.32, 2.33); 2. Состояние нагруженной лопатки при попадании средней птицы № 1: – изменения интенсивности напряжений по времени в характерном нагруженном месте рабочей лопатки с максимальным градиентом напряжений, в области «корыта» (рис. 2.34, а). Погрешность по максимальному значению напряжения составила 0,8 %; – закономерность изменения соответствующей пластической деформации (рис. 2.34, б). Погрешность составила 3,7 %; 3. Состояние нагруженной лопатки при попадании средней птицы № 2: – закономерность изменения интенсивности напряжений по времени в характерной точке (рис. 2.35, а). Погрешность составила 1,7 %; – закономерность изменения соответствующей пластической деформации (рис. 2.35, б). Погрешность составила 3,4 %. Характер упругопластического деформирования рабочих лопаток и максимальный отклик в элементах рабочих лопаток идентичны для обеих размерностей КЭ-сеток. Сравнительный анализ двух вариантов плотности КЭ-сетки рабочего элемента показал хорошую сходимость результатов базовой КЭ-модели (19 тыс. элементов) с более мелкой КЭ-сеткой (44 тыс. элементов).