Параметрическая оптимизация областей конечно-элементной модели лопатки вентилятора ТРДД по точности вычисления характеристик равновесия и вибрации Лысенко, Алексей Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы

Обеспечение динамической прочности авиационных двигателей относится к разряду наиболее сложных проблем, возникающих при разработке новых ТРДД и их эксплуатации. Необходимость увеличения ресурса и обеспечения надежности при удовлетворении требованиям снижения массы и ограничения по стоимости делает актуальной задачу снижения динамической нагруженности узлов двигателя, так как подавляющее число поломок лопаток ГТД происходит под действием переменных нагрузок. Эти поломки вызываются высокими вибрационными напряжениями, возникающими в рабочих лопатках, в частности, при резонансных колебаниях.

Рабочая лопатка вентилятора является одной из наиболее тяжело нагруженных и ответственных деталей ТРДД. Определение динамической прочности, обеспечивающей эксплуатационные свойства рабочих лопаток, представляет собой емкий комплекс вопросов, а именно, расчётное и экспериментальное определение собственных частот и форм колебаний лопаток, тензометрирование лопаток в составе двигателя с целью замера вибронапряжений по максимальному числу форм колебаний, анализ условий возникновения резонансов, мер по их устранению на рабочих режимах работы двигателя.

В отечественной и зарубежной литературе описаны различные аналитические способы расчета вибрационных характеристик лопаток, однако их общим недостатком является расхождение результатов расчета с экспериментальными данными, при их совпадении только на конкретных конструкциях лопаток.

В настоящее время все еще не существует единой универсальной методики, регламентированной нормативно-технической документацией, обеспечивающей надежное решение задачи исследования колебаний разнообразных современных лопаточных колес сложной конструкции. На сегодняшний день дальнейшие исследования должны быть связаны с рассмотрением более точных математических моделей, позволяющих учесть особенности конструкций современных рабочих лопаток компрессора низкого давления (КНД), что возможно выполнить только путем анализа объемного напряженно-деформированного состояния (НДС) соответствующей виртуальной модели исследуемого объекта методом конечных элементов. В связи с вышеизложенным настоящая работа посвящена совершенствованию методов расчета НДС, форм и частот собственных колебаний крупногабаритных лопаток вентилятора ТРДД и распределений относительных напряжений в них с помощью метода конечных элементов.

При расчете вибрационных характеристик и НДС лопаток методом конечных элементов возникает задача обеспечения достаточной точности расчета при минимальных временных затратах. Точность расчета методом конечных элементов зависит, в первую очередь, от качества построения конечно-элементной модели. Сегодня существует потребность в разработке метода построения конечно- элементной модели крупногабаритной рабочей лопатки вентилятора ТРДД, оптимальной по количеству конечных элементов, в зависимости от решаемой задачи, что в конечном счете обеспечит выполнение расчета с необходимой точностью при минимальных затратах машинного времени.

Цель работы. Разработка эффективной математической модели крупногабаритной рабочей лопатки вентилятора ТРДД для вычисления НДС и вибрационных характеристик с точностью, обеспечивающей сокращение трудоемкости и сроков процесса ее проектирования, путем оптимизации количества конечных элементов математической модели в зависимости от решаемой задачи.

Задачи работы

1. Выполнить анализ современного состояния вопроса по расчету методом конечных элементов НДС и вибрационных характеристик лопаток вентилятора ТРДД, проанализировать особенности расчета лопаток вентилятора методом конечных элементов, рассмотреть различные способы оценки качества построения конечно-элементных моделей.

2. Разработать способ определения областей конечно-элементной модели механической конструкции, вносящих погрешность в расчет параметров равновесия и вибрационных характеристик программным комплексом ANSYS, предложить диагностический признак качества конечного элемента при оценке качества построения конечно-элементной модели разработанным способом.

3. Обосновать выбор эталонной нагрузки при исследовании качества построения конечно-элементной модели разработанным способом.

4. Предложить расчетные зависимости для вычисления статической податливости в узлах конечно-элементной модели при ее модальном анализе в случае действия трех взаимно перпендикулярных сил, приложенных в каждом узле модели и на основе этого создать компьютерную технологию определения областей конечно-элементной модели, вносящих погрешность в расчет НДС и вибрационных характеристик.

5. Создать каталог конечно-элементных моделей крупногабаритных рабочих лопаток вентилятора ТРДД в зависимости от цели расчета.

6. Провести экспериментальные исследования вибрационных характеристик лопатки вентилятора ТРДД для подтверждения результатов расчета форм и частот собственных колебаний выполненного на конечно-элементной модели, оптимизированной с помощью разработанной компьютерной технологии.

Объект и предмет исследования

Объект исследования - крупногабаритная рабочая лопатка вентилятора

ТРДД.

Предмет исследования - конечно-элементные модели лопатки вентилятора ТРДД.

Методы исследования

6. 1. Методы математического анализа и моделирования.

   2. Численные трехмерные расчеты НДС и вибрационных характеристик лопаток с использованием современных прикладных программ, основанных на методе конечных элементов,

   3. Экспериментальные методы исследования вибрационных характеристик лопаток вентилятора ТРДД.

   Достоверность и обоснованность полученных результатов работы обеспечивается использованием теоретических знаний в области колебаний упругих тел и сопротивления материалов, применением корректных и обоснованных предположений и гипотез, сертифицированного коммерческого программного комплекса ANSYS Mechanical APDL (США), применением аттестованного оборудования для проведения экспериментальных исследований вибрационных характеристик лопаток, использованием стандартизованных методик проведения и обработки результатов экспериментальных исследований вибрационных характеристик лопаток ГТД в условиях вибростенда ОАО «НПО «Сатурн», хорошей сходимостью расчетных данных с результатами экспериментальных исследований, патентной чистотой разработки, подтвержденной патентом Российской Федерации на разработанный способ обеспечения вибрационной прочности деталей ГТД (патент № 2475834).

   Научная новизна

   6. 3. 1. Разработан метод построения конечно-элементной модели лопатки вентилятора ТРДД, оптимальной по количеству конечных элементов, в зависимости от целей решаемой задачи.

         2. Определен диагностический комплекс качества конечного элемента, позволяющий определять области конечно-элементной модели, содержащие элементы, вносящие наибольшую погрешность в расчет, на основании чего даны рекомендации по определению эталонной нагрузки при исследовании качества построения конечно-элементной модели.

         3. Автором предложены расчетные зависимости, позволяющие вычислять статическую податливость конечно-элементной модели при ее модальном анализе в случае действия трех взаимно перпендикулярных сил, приложенных в каждом узле модели, чтобы обеспечить требования по диагностическому комплексу качества конечного элемента.

         4. Разработана компьютерная технология определения областей конечно- элементной модели с различной точностью вычисления НДС и вибрационных характеристик.

         5. Предложена методика численного анализа вибрационных характеристик лопатки вентилятора, позволяющая на стадии проектирования определять ее геометрию для обеспечения ее вибрационной прочности на рабочих режимах

         ТРДД, рекомендуемая для использования на предприятиях авиационной промышленности.

         Теоретическая значимость

         Диагностический комплекс оценки качества конечного элемента, позволяющий определять области конечно-элементной модели, содержащие элементы, вносящие наибольшую погрешность в расчет, может быть использован при исследовании качества конечно-элементной модели любой механической конструкции.

         Практическая значимость

         6. 3. 5. 1. Разработана методика построения минимизированной по количеству конечных элементов пространственной твердотельной математической модели крупногабаритной рабочей лопатки вентилятора ТРДД, основанной на разработанном способе определения областей конечно-элементной модели механической конструкции различной точности вычисления параметров равновесия и вибрационных характеристик.

                  2. Разработан каталог конечно-элементных моделей лопаток вентилятора ТРДД для расчета НДС и вибрационных характеристик с достаточной точностью в возможно короткие сроки с минимальными затратами машинного времени и людских ресурсов.

                  Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века», (Москва, ЦИАМ, 2010), на международной научно-технической конференции «Проблемы динамики и прочности в турбомашиностроении», (Киев, Киевский институт проблем прочности, 2011), на всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов (Уфа, УМПО, 2011), на международной научно-техническая конференция молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» (Казань, НИИ «Турбокомпрессор» 2012), на XXVII международном научно-техническом конгрессе двигателестроителей (Рыбачье, Крым, Украина 2012), работа докладывалась на кафедре «Авиационные двигатели» Рыбинского государственного авиационного технологического университета имени П.А. Соловьева.

                  Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в их числе 2 статьи, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи - в прочих изданиях, 5 тезисов докладов, получен патент на способ обеспечения вибрационной прочности деталей.

                  На защиту выносятся

                  6. 3. 5. 2. 1. Способ построения эффективной конечно-элементной модели механической конструкции.

                              2. Диагностический комплекс качества конечного элемента.

                              3. Компьютерная технология определения областей конечно-элементной модели с различной точностью вычисления НДС и вибрационных характеристик.

                              4. Результаты расчетного и экспериментального исследования вибрационных характеристик лопатки вентилятора.

                              Личный вклад автора

                              6. 3. 5. 2. 4. 1. Определение диагностического комплекса качества конечного элемента, позволяющего определять области конечно-элементной модели, содержащие элементы, вносящие наибольшую погрешность в расчет.

                                             2. Разработка компьютерной технологии определения областей конечно- элементной модели с различной точностью вычисления НДС и вибрационных характеристик.

                                             3. Разработка каталога конечно-элементных моделей лопаток вентилятора ТРДД, для расчета НДС и вибрационных характеристик.

                                             Структура и объем работы

                                             Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения с общими выводами, изложенных на 165 листах машинописного текста и списка использованных источников из 105 наименований.

                                             По своему содержанию и структуре диссертация соответствует поставленной цели и решаемым задачам.

                                             Похожие диссертации на Параметрическая оптимизация областей конечно-элементной модели лопатки вентилятора ТРДД по точности вычисления характеристик равновесия и вибрации

                                             

                                             Разработка метода расчета внешнего теплообмена лопаток газовых турбин, основанного на решении осредненных уравнений Навье-Стокса и модели ламинарно-турбулентного течения газаЧупин Павел Владимирович

                                             

                                             Нестационарное статор-ротор взаимодействие решеток профилей и его моделирование при проектировании "акустической" лопатки вентилятораТомилина Татьяна Викторовна

                                             Автоматизация формирования структуры обучения в области САПР на основе моделей многоальтернативной оптимизацииКоролев, Евгений Николаевич

                                             

                                             Математические модели и оптимизация размещения станций скорой помощи для обслуживания населения заданной области Разина Мария Александровна

                                             

                                             Оптимизация управления региональной медицинской службой ГУВД на основе системного мониторинга и ситуационного моделирования (на модели Воронежской области)Смольянинов Сергей Васильевич

                                             Повышение эффективности производства сельхозпродукции в условиях Ленинградской области путем оптимизации ресурсного обеспечения и состава машинно-тракторного паркаАртемьев, Юрий Георгиевич

                                             

                                             Исследование и оптимизация в частотной области преобразующих трактов приемо-передающих устройств на основе рядов ФареяБыкадоров Александр Александрович

                                             

                                             Система многокритериальной параметрической оптимизации электронных схем в частотной области Аль-Русан Мохаммад Бакир Хасан

                                             

                                             Повышение эффективности использования зерноуборочных комбайнов за счет оптимизации энергозатрат в условиях Амурской областиКидяева Наталья Петровна

                                             

                                             Оптимизация параметров радиоэлектронных схем в частотной области Терешин Михаил Алексеевич