Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния проблемы 8
1.1 Применение намотки из арамидных нитей и тканей в современных системах локализации осколков 8
1.2 Особенности взаимодействия осколков с непропитанными арамидными нитями и тканями 14
1.3 Методики моделирования непропитанных арамидных нитей
ГЛАВА 2 Экспериментальное изучение свойств непропитанных арамидных нитей 26
2.1 Экспериментальное изучение статических свойств непропитанных арамидных нитей 27
2.2 Экспериментальное изучение динамических свойств непропитанных арамидных нитей 31
ГЛАВА 3 Разработка конечно-элементной модели комбинированного корпуса.. 42
3.1 Описание физики процесса взаимодействия оборвавшейся лопатки КНД с цельнометаллическим корпусом 42
3.2 Разработка модели комбинированного корпуса 55
3.3 Разработка конечно-элементной модели намотки комбинированного корпуса 56
ГЛАВА 4 Проведение экспериментов по изучению взаимодействия непропитанной арамидной намотки и ударника 59
ГЛАВА 5 Верификация конечно-элементной модели имитатора комбинированного корпуса 84
5.1 Расчет намотки вариант 1 87
5.2 Расчет намотки вариант 2 92
5.3 Расчет намотки вариант 3 97
5.4 Верификация результатов расчета 102
ГЛАВА 6 Метод расчета удержания комбинированным корпусом оборвавшейся лопатки ГТД 106
6.1 Расчет конечно-элементной модели комбинированного корпуса в условиях двигателя 106
6.2 Анализ взаимодействия оборвавшейся и набегающей лопатки 112
6.3 Сравнение по массе металлического корпуса и комбинированным корпусом с намоткой из непропитаных арамидных нитей 115
Заключение 117
Список сокращений и условных обозначений 119
Список литературы
- Особенности взаимодействия осколков с непропитанными арамидными нитями и тканями
- Экспериментальное изучение динамических свойств непропитанных арамидных нитей
- Разработка конечно-элементной модели намотки комбинированного корпуса
- Анализ взаимодействия оборвавшейся и набегающей лопатки
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из возможных аварий ГТД является обрыв лопатки вентилятора (разрушение компрессора), что приводит к соударению оборвавшейся лопатки с корпусом двигателя.
В соответствии с нормами летной годности Российской Федерации АП-33, американскими национальными нормами FAR-33, европейскими нормами CS-E при проектировании корпусов роторов вентилятора, компрессора, турбины должна обеспечиваться локализация повреждений вследствие разрушения рабочей лопатки. Вторичные явления, возникающие при разрушении лопатки, не должны приводить к отказам с опасными последствиям АП-33.75, CS-E 510.
Кинематика удара (размер фрагмента, его ориентация, скорость удара и пр.) связана со многими факторами, предшествующими этому событию. В частности, траектория движения зависит от размеров и формы оборвавшегося фрагмента, условий его взаимодействия с другими элементами конструкции и т. д. Процесс предсказания последствий от обрыва лопатки неизбежно требует серьезных исследований возможных сценариев ударов, разрушения пера лопатки и выявления наиболее тяжелого варианта нагружения конструкции корпуса и, как следствие, проектирование толстостенных корпусов.
В то же время, современное двигателестроение нацелено на создание газотурбинных двигателей с минимально возможной массой, которая является одним из интегральных показателей, аналогом материальных затрат на создание и эксплуатацию самолета.
Для поиска оптимальных по массе и удовлетворяющих требованиям норм летной годности по непробиваемости корпусов применяются программные комплексы, позволяющие путем изменения геометрических параметров создавать корпус, удовлетворяющий условию непробиваемости и минимальной массы.
Еще одним способом уменьшения массы и повышения надежности корпуса ГТД является использование современных конструкционных материалов. Внедрение намотки из непропитанных арамидных нитей в конструкцию корпуса позволяет создать комбинированный корпус, удовлетворяющий требованиям по прочности и массе. Основное назначение намотки из непропитанных арамидных нитей: при минимально возможной массе корпуса недопущение поражения фюзеляжа самолета оборвавшимися в результате аварии фрагментами лопатки.
Бронепакеты из ткани достаточно широко используются в защитных системах при баллистических воздействиях обломков или снарядов. Эти системы весьма рентабельны также для решения, например, задачи локализации осколков двигателя при обрыве лопатки, т.к. волокна обладают высокой удельной прочностью на единицу веса. Более того, производство подобных защитных систем является относительно недорогим по сравнению с традиционными металлическими конструкциями. С этой точки зрения разработка и использование
комбинированных корпусов весьма перспективно. Однако, для сокращения
сроков и снижения ресурсов при создании таких систем необходимо иметь
верифицированную конечно-элементную методику моделирования
деформирования материала.
В Российской Федерации необходимость решения данной задачи обозначена федеральными целевыми программами, в частности федеральной целевой программой «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 года и на период до 2015 года», в рамках которой и выполнялась работа.
Для решения задачи удержания оборвавшейся лопатки комбинированным корпусом необходимо в первую очередь создать конечно-элементную модель намотки. Существующие в настоящее время методы не обеспечивают необходимую точность расчетов. В связи с этим является актуальной тема диссертационной работы, посвященная разработке нового, более точного метода расчета удержания оборвавшейся лопатки ГТД комбинированным корпусом.
Работа выполнена на кафедре «Авиационные двигатели» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени имени П.А. Соловьева» и в открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение «Сатурн» (ОАО «НПО «Сатурн»).
Цель диссертационной работы. Разработать метод расчета удержания комбинированным корпусом оборвавшейся лопатки ГТД, состоящим из непропитанных арамидных нитей и металлической основы, на базе конечно-элементного кода LS-DYNA, выполнить верификацию созданной модели на основе натурных экспериментов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1. Разработана конечно-элементная модель намотки комбинированного корпуса из непропитанных арамидных нитей. Выполнена верификация созданной модели намотки из непропитанных арамидных нитей в составе комбинированного корпуса.
2.Спроектировано и создано устройство, для проведения экспериментов по определению свойств непропитанных арамидных нитей. Проведена серия экспериментов по определению свойств непропитанных арамидных нитей и тканей.
3. Проведены испытания по определению характера взаимодействия имитатора лопатки ГТД и непропитанной арамидной намотки имитатора комбинированного корпуса. По результатам испытаний определена удерживающая способность намотки из непропитанной арамидной нити при
ударе фрагментами аварийно оторвавшейся лопатки вентилятора.
4. Выполнено сравнение по массе и по удерживающей способности комбинированного корпуса с металлическим корпусом, спроектированным в ОАО «НПО «Сатурн», позволяющее сделать заключение: комбинированный корпус не уступает металлическому корпусу в удерживающей способности и имеет меньшую массу.
Метод исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решены с использованием метода «конечных» элементов - численный метод решения дифференциальных уравнений физики деформируемого твердого тела, широко используемый в различных областях техники.
Достоверность и обоснованность результатов работы достигается:
1. Использованием фундаментальных законов сохранения массы, импульса
и энергии;
2. Применением коммерческого программного комплекса,
верифицированного на основе экспериментальных данных и апробированного в
ОКБ-1 ОАО «НПО «Сатурн» в процессе проектирования корпусов ГТД
различного назначения;
3. Согласованием расчетных данных с результатами натурных
экспериментов.
На защиту выносятся:
1. Конечно-элементная модель описания поведения намотки из
непропитанных арамидных нитей при взаимодействии с оборвавшейся лопаткой
вентилятора.
2. Метод расчета удержания оборвавшейся лопатки комбинированным
корпусом, позволяющий прогнозировать поведение комбинированного корпуса.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
-
Разработана конечно-элементная модель намотки комбинированного корпуса ГТД из непропитанных арамидных нитей на основе shell элементов с использованием конечно-элементного кода LS-DYNA. Модель создана с учетом свойств, полученных в ходе экспериментов и верифицирована по результатам прямых испытаний.
-
Спроектировано и изготовлено экспериментальное устройство для определения свойств непропитанных арамидных нитей, с использованием которого выполнены эксперименты по определению динамических свойств нитей, получены значения максимальных усилий на разрыв нити.
-
Экспериментально подтверждена возможность обеспечения требований норм летной годности в части удержания фрагмента аварийно оторвавшейся лопатки компрессора ГТД имитатором комбинированного корпуса.
Практическая ценность состоит в разработке метода расчета комбинированных корпусов, повышающего точность прогнозирования
конструкции корпуса и позволяющего минимизировать объем дорогостоящих экспериментальных исследований, необходимых для подтверждения работоспособности комбинированного корпуса при обрыве лопатки ГТД.
Реализация результатов. Метод расчета удержания оборвавшейся лопатки ГТД комбинированным корпусом применяется в ОАО «НПО «Сатурн» для проектирования комбинированных корпусов современных авиационных ГТД.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на V всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов, ОАО «УФПО» (республика Башкортостан г. Уфа, 2011г.), всероссийском конкурсе «Двигатели XXI века» (салон МАКС г. Москва, август 2011г.), международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ (г. Самара, 2012г.), 12-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2013» (г. Москва, 12 -15 ноября 2013г.), международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2014г.), зарубежной конференции ASME Turbo Expo 2014
Публикации. Основное содержание работы отражено в 15-и печатных работах, в том числе в 4-х статьях, опубликованных в изданиях, входящих в перечень ВАК и 1-ой зарубежной статье, опубликованой в зарубежной литературе, входящей в базу данных «Scopus».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, приложения изложенных на 137 листе машинописного текста и списка использованных источников из 127 наименований.
Особенности взаимодействия осколков с непропитанными арамидными нитями и тканями
Исходя из этого можно сделать выводы: - главным критерием высококачественной ткани являются равнопрочность, равнодеформируемость по основе и утку, а также, близкие значения усилия выдергивания нитей из структуры (силы структурного взаимодействия); для изготовления оптимальной мягкой текстильной брони могут применяться ткани нескольких текстильных структур (полотно, репс уточный и саржа); - ткани из некрученых нитей имеют преимущество над кручеными: в них легче удается достичь равенства деформаций и близости сил структурного взаимодействия.
Приведем пример: при проектировании структуры бронешлемов [39] обычно для первых слоев, встречающих пулю, используют ткани с минимальным усилием выдергивания - это ткани саржевого плетения 29 текс или 58,8 текс. Такие материалы позволяют уменьшить энергию пули за счет вытягивания и трения нитей в составе бронепакета. Для снижения запреградной выпучины в качестве последних слоев используют ткани с максимальным значением усилия выдергивания и раздвижки нитей. Например, полотно 58,8 текс с набивкой 15 нитей на сантиметр. Совокупность такой структуры бронепакета обеспечивает максимально эффективное удержание пули.
Рассмотрим более подробно процесс удержания ПЭ бронепакетом: в результате их взаимодействия возникает конус деформации, угол которого в первых слоях намного больше, чем в последних. Это значит, что нить не успевает продернуться вслед за пулей. Графическая иллюстрация данного явления представлена на рисунках 1.7 и 1.8. Нагрузка, передаваемая от пули на нить, делится на две составляющие: растягивающая (действующая вдоль нити) и сдвигающая (действующая поперек нити). Известно, что прочностные характеристики армирующих волокон при растяжении значительно выше, чем при сдвиге [40,41]. Поэтому необходимо создать условия для протягивания нити вслед за пулей, при этом угол конуса деформации будет уменьшаться, а растягивающая составляющая нагрузки - увеличиваться. На рисунке 1.9 показана зависимость числа пробитых слоев и запреградного выступа от расстояния до кромки пакета ткани. Ударник
Уменьшение количества пробитых слоев по мере приближения к кромке может быть объяснено изменением механизма взаимодействия пули с волокном: на краю нить имеет возможность протягиваться вслед за пулей и рваться от растяжения, а не от сдвига, что свидетельствует о более эффективном использовании прочностных свойств нити. Такой же механизм работы нитей имеет место в бронепакете, собранном из дискретных кусков (различных
Из рисунка 1.10 видно, что при попадании пули в край бронепакета сила растяжения раскладывается на две составляющие, и направление результирующей силы не совпадает с продольной осью пули. Возникающий при этом крутящий момент Мкр разворачивает пулю, увеличивая площадь пули, контактирующей с бронепакетом, тем самым уменьшая удельное давление, следовательно, снижая количество пробитых слоев.
В бронешлеме «дискретность» ткани достигается раскроем на детали типа «Ромашка». При этом размер нитей в одном направлении, например, утка, составляет от 100 до 160 мм, а в другом - 350-400 мм. Изотропность свойств в изделии достигается равномерным смещением деталей относительно друг друга в процессе выкладки при формовании.
Известно, что прочностные характеристики армирующих волокон при растяжении значительно выше, чем при сдвиге [42,43], поэтому необходимо выполнить условия для протягивания нити вслед за ПЭ без сопротивления соседних вплетенных нитей. Исходя из этого, количество необходимых для удержания слоев ткани увеличивается с уменьшением длины вытаскиваемой нити, которая ограничена вплетенными соседними волокнами. В ткани работают только длинные нити в окружном направлении, а перпендикулярные им короткие нити создают преграду для их вытяжки [44,45]. В свободно намотанных на металлическую основу нитях таких ограничений нет.
Основываясь на представленных материалах, предложен вариант комбинированного корпуса с намоткой из непропитанных полимерных арамидных нитей несвязанных в тканевый пакет [46,47].
На первых этапах проектирования корпусов, его толщина определяется из баланса кинетической и потенциальной энергии [48]. В случае с намоткой непропитанных арамидных нитей можно
В результате удара волокно способно двигаться вслед за фрагментами оборвавшейся лопатки, если скорость фрагмента ниже критического значения. При достижении критической скорости волокно разрушается в момент удара, и ударная волна не может по нему распространяться, а его способность диссипировать энергию резко падает. С ростом прочности и снижением модуля упругости и плотности волокна критическая скорость возрастает. Это означает, что требуются одновременно высокие прочностные и деформативные характеристики.
Полная энергия диссипации нити единичного поперечного сечения Wz = Wk + Wd + Wp, где Wk - кинетическая энергия [Дж]; Wd - энергия упругой деформации [Дж]; Wp - энергия, расходуемая на вытягивание нити из полотна [Дж]. Для промежуточных скоростей удара (v /3 v v ) динамические эффекты доминируют и значением Wp можно пренебречь. С учетом (1.3) полная энергия определяется по формуле:
Экспериментальное изучение динамических свойств непропитанных арамидных нитей
Не так давно задачи быстротекущих динамических процессов, происходящих при аварийных ситуациях в двигателях, решались экспериментальными методами на стадии доводки изделий, что требовало больших материальных и временных затрат [84,85]. Для расчетной оценки локализации корпусами фрагментов оборвавшихся лопаток в ЦИАМ с 70-х годов прошлого столетия используются соотношения между кинетической энергией фрагментов лопатки и потенциальной энергией деформирования материала корпуса при ударе лопатки [1].
Современные методы вычисления значительно облегчили процесс исследования взаимодействия оборвавшейся лопатки с корпусом. Верифицированные по результатам испытаний, они позволяют в полной мере описать физику процесса [86].
Описание физики процесса взаимодействия оборвавшейся лопатки КНД с цельнометаллическим корпусом Определить поведение лопатки в характерные моменты времени, а так же критические места на поверхности корпуса от ударов на начальном этапе целесообразно путем численного моделирования удержания оборвавшейся лопатки цельнометаллическим корпусом.
Расчет проводится на максимальном режиме работы двигателя при частоте вращения ротора КНД 10400 об/мин. Значение критерия разрушения элементов лопатки при ее деформации и коэффициент трения взяты из верифицированных результатов расчета для двигателя SaM 146 [86].
Для расчета начального НДС нагружение конструкции осуществляется приложением объёмной силы, соответствующей центробежной, обусловленной действием угловой скорости [87,88]. Для уменьшения влияния динамических эффектов, угловая скорость постепенно увеличивается (рисунок 3.1) от О об/мин до угловой скорости, соответствующей расчетному режиму в длительный период времени, после чего удерживается на постоянном уровне вплоть до момента получения установившегося решения.
Существенными недостатками такого подхода к получению начального напряженного состояния является длительное время моделирования, для получения установившегося решения и осцилляции, вызванные колебанием системы по собственным частотам [89].
В том случае, когда в модели присутствует из роторной части только одно рабочее колесо можно ускорить процесс получения установившегося решения введением демпфирования по фоновой частоте. Для этого запускается расчет и через некоторое количество осцилляции по периоду колебаний энергии упругой деформации (Т) определяется частота, по которой необходимо демпфировать модель в расчете. Затем проводится расчет с демпфированием по выявленной частоте колебаний [90]. Для демпфирования используется команда DAMPING_GLOBAL
Второй метод получения начальных напряжений основан на использовании алгоритма динамической релаксации. При этом вводится фиктивное время моделирования, например равное единице. За это время в динамической стадии расчета прикладываются все нагрузки на модель. Получается начальное распределение скоростей и ускорений в конструкции с учетом контактного взаимодействия. После этого включается неявная стадия расчета для получения установившегося решения по перемещениям.
Преимуществом данного метода является возможность получать установившееся решение без осцилляции системы по собственным частотам за относительно небольшое время. Недостаток - использование неявного решателя не всегда дает установившееся решение в виду неустойчивости неявного решателя.
Так как в представленной работе из роторной части присутствует только одно рабочее колесо, для расчета НДС лопаток при раскрутке ротора воспользуемся методом основанном на использовании алгоритма динамической релаксации для получения начальных напряжений, это позволит сократить время расчета.
Для воспроизведения процесса удержания оборвавшейся лопатки корпусом в расчетную модель необходимо заложить условие обрыва лопатки.
В качестве основы для моделирования процесса развития трещины, приводящей в итоге к обрыву лопатки [91,92], приняты следующие предположения: 1) Зона зарождения трещины известна и находится в зоне перехода пера лопатки в диск. 2) Траектория развития трещины строго параллельна подошве лопатки. 3) Скорость развития трещины постоянна и равна плоской скорости звука в металле. Для титана ВТ6 (Утрещ = V3B.2D Основываясь на данных предположениях, разработан следующий алгоритм моделирования процесса развития трещины: 1) В зоне перехода пера лопатки в диск выбирается ряд элементов, через которые будет проходить трещина. 2) Исходя из размера элементов и скорости развития трещины, определяются моменты времени, в которые соответствующие элементы будут удаляться из расчёта. 3) В каждый из определённых моментов времени производится остановка счёта задачи, после чего осуществляется рестарт с картой DELETE_ELEMENT_SOLID, в которой перечислены элементы, удаляемые из расчёта на данный момент времени. 4) После удаления всех элементов расчёт продолжается до момента времени 1 мс с момента зарождения трещины.
Однако, результаты расчётов развития трещины на примере ступени вентилятора двигателя SaM-146 показали, что в процессе развития трещины в лопатке НДС соседних лопаток и диска практически не изменяется [86]. Учитывая данный факт, при решении дальнейших задач в целях экономии времени следует использовать модель мгновенного отрыва лопатки.
С целью учета податливости сборки корпусов при удержании обрывающихся фрагментов лопаток ротора, в расчетную схему включены все корпуса статора КНД. Общий вид расчетной модели корпусов КНД представлен на рисунке 3.3.
Разработка конечно-элементной модели намотки комбинированного корпуса
В третьем эксперименте в качестве имитатора бронезащиты корпуса вентилятора используется круговой элемент с намоткой из арамидных нитей, перед которым размещается металлическая пластина толщиной 2.5 мм. В данном опыте направляющие элементы отсутствовали. Внешний вид имитатора корпуса вентилятора, закрепленного на испытательной оснастке, и фильеры без направляющих элементов показан на рисунке 4.27. За слоем из арамидных нитей устанавливается антенна радиоинтерферометра для регистрации скорости подлета и запреградной скорости имитатора лопатки.
В результате проведения эксперимента скорость имитатором лопатки по сигналам с датчиков типа ДЭМ составляет V = 327 м/с. Внешний вид сигналов с датчиков типа ДЭМ показан на рисунке 4.28. Получить достоверную информацию о скорости вылета пластины из фильеры по сигналам с контактных датчиков не удалось. Их срабатывание произошло ранее, скорее всего из-за воздействия потока воздуха, которым разгонялась экспериментальная сборка. По результатам видеосъёмки не виден процесс соударения (из-за сильной засветки) и пробития имитатором лопатки имитатора корпуса бронезащиты вентилятора (представлено на рисунке
Внешний осмотр имитатора корпуса вентилятора, после проведения эксперимента (см. рисунок 4.34), показывает, что разрыва арамидных нитей, располагавшихся за металлической пластиной, не произошло. Произошел разрыв (разрезание) небольшого, толщиной около 3 см, верхнего слоя арамидных нитей. Разрыв (разрезание) данного слоя произошёл в результате того, что пластина, ударившись о металлическую пластину и расколов её, начала разворачиваться и вылетела «по верхнему слою» из арамидных нитей. Металлическая пластина, которая крепилась перед слоем из арамидных нитей (показана на 4.35, 4.36) так же вылетела за пределы кольца. 1) Проведены эксперименты по ударному воздействию имитатора лопатки с намоткой из непропитанных арамидных нитей. Получены результаты взаимодействия ПЭ и намотки из непропитанных арамидных нитей. Проанализированы защитных свойства арамидных нитей как составной части имитатора комбинированного корпуса. 2) По результатам измерений экспериментов получена качественная информация обмеров: показания датчиков радиоинтерферометра, кинограммы видеосъемки, значения скоростей вылета имитатора лопатки из стенда «Ствол-230 БПВС». 3) Полученные результаты экспериментов следует использовать при верифицировать физико-математическую модель намотки. ГЛАВА 5 Верификация конечно-элементной модели имитатора комбинированного корпуса
Свойства непропитанных арамидных нитей представлены в главе 2. Конечно-элементная модель намотки из непропитанных арамидных материалов описана в главе 3, проведенные эксперименты по взаимодействию намотки из непропитанных арамидных нитей и результаты по этим экспериментам представлены в главе 4. С использованием полученных данных необходимо верифицировать метод расчета намотки из непропитанных арамидных нитей. Для этого создана модель имитатора комбинированного корпуса, которая включает в себя: металлическую основу корпуса, непропитанную арамидную намотку и ударник (рисунок 5.1).
Для первого варианта конструкции (рисунок 5.2) толщина намотки составляет 8 мм, лента намотана в 16 слоев по толщине. Для второго варианта (рисунок 5.3) - намотка образована 32 слоями ленты по толщине. Общая толщина намотки достигает 16 мм. В расчетных моделях нити намотки моделируются в виде спирально навитой ленты шириной 10 мм и толщиной 0.2 мм. Шаг между слоями намотки составляет 0.5 мм. В каждом из слоев намотки по ширине намоточной части имитатора корпуса укладывается 13 витков ленты, моделирующей совокупность нитей. При проведении расчетов учитывается разрушение ленты при достижении максимальной главной деформацией Єї величины относительного удлинения нити на разрыв 8.
На рисунке 5.4 изображены фрагменты конечно-элементной сетки корпуса, непропитанной арамидной намотки и ударника. Общая размерность конечно-элементной сетки, покрывающей расчетную область, составляет: для модели с высотой намотки 8 мм - 252 928 КЭ типа Shell и 55 072 КЭ типа Solid (всего 308 000 КЭ, 454 415 аппроксимирующих узлов); для модели с высотой намотки 16 мм - 505 856 КЭ типа Shell и 55 072 КЭ типа Solid (всего 560 928 КЭ, 833 807 аппроксимирующих узлов). CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE. Коэффициент трения во всех контактных парах принят равным 0.2 [117]. Так же задается коэффициент вязкого демпфирования, равный 40. Это позволяет избежать нежелательного «дребезга» контактов [118,119].
Начальные условия задаются в виде равномерно распределенного векторного поля скорости ударника в направлении имитатора корпуса [120] командой INITIAL_VELOCITY_GENERATION.
В качестве граничных условий используется жесткое закрепление имитатора корпуса по отверстиям под винты крепления в его нижнем фланце, которое задается командой BOUNDARY_SPC_SET [121].
При проведении расчетов учитывается зависимость механических характеристик сплава ВТ6 от скорости деформации. Динамические свойства и диаграммы деформирования для сплава ВТ6 получены в ходе работы исследования механических свойств титанового сплава ВТ6 [72].
Для первого варианта расчета намотки из непропитанных арамидных нитей начальная скорость полета ударника составляет V = 270 м/с, а толщина намотки равна 8 мм.
Начало расчета начинается с момента (t=0.0 мс), когда ударник начинает подлетать к намотке имитатора корпуса. Результаты расчета представлены на рисунках 5.5 - 5.13. На рисунках 5.5 - 5.10 показаны кинограммы деформирования конструкции в процессе удара и ее деформированная форма на момент окончания расчета (t=1.6 мс). Анализ полученных результатов показывает, что в заданных условиях воздействия ударника происходит пробитие бронезащитной намотки корпуса. Остаточная скорость ударника после пробития намотки составляет -170 м/с (рисунок 4.10). Значение остаточной кинетической энергии ударника определяется величиной 16.4 кДж, что составляет 40.7% от начального значения.
На рисунке 5.12 приведена деформированная конфигурация ударника и поле интенсивности деформаций в ударнике на момент времени t=1.6 мс. Красным цветом на рисунке выделены зоны, в которых величина интенсивности полных деформаций превышает относительное удлинение на разрыв материала имитатора лопатки (ВТ6, 5=10%). Это позволяет прогнозировать образование трещин и разрывов материала в наиболее нагруженных зонах ударника [122,123]. Распределение интенсивности полных деформаций в металлической обечайке имитатора корпуса представлено на рисунке 5.13. Максимальное значение интенсивности полных деформаций имитатора корпуса составляет -6% и не превышает величины относительного удлинения Стали 3 на разрыв 5=28%. Обечайка имитатора корпуса сохраняет прочность, что согласуется с экспериментальными данными [124].
Анализ взаимодействия оборвавшейся и набегающей лопатки
Сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментов показывает, что разработанная расчетная схема и предложенная технология численного моделирования с использованием данных по динамическим свойствам арамидной нити позволяет получить результаты, качественно (пробитие или не пробитие намотки) согласующиеся с полученными экспериментальными данным.
На рисунке 5.32 показано расчетное и экспериментальное конечные состояния защитной намотки из арамидных нитей в опыте 1 (в этом опыте толщина намотки из непропитанных арамидных нитей равна 8 мм и по результатам эксперимента намотка не удержала имитатор лопатки). Сравнительный анализ конечных состояний показывает, что расчетная и экспериментальная картины непротиворечивы и относительно близки друг к другу. Видно, что в расчете и в эксперименте намотка значительно сильнее «размахрилась» с правой стороны конструкции. Также можно отметить, что в расчете и в эксперименте верхняя и нижняя трети ширины намотки сохранили прочность, а средняя часть разрушилась, что привело к вылету ударника. опыте 3 . а) расчет б) результаты эксперимента 105 Как видно: разрушение пластины по результатам расчета аналогично разрушениям в эксперименте. Это дает основания полагать: математическая модель, созданная в ПО LS-DYNA, адекватно описывает физические процессы, происходящие при взаимодействии ударника и имитатора корпуса с намоткой. На основании проведенных сравнений можно сделать вывод, что можно использовать модель намотки из непропитанных арамидных нитей для расчетов удержания лопатки вентилятора при ее обрыве.
Выполнены численные исследования для идентификации расчетной схемы по результатам испытаний, из которых можно заключить:
1. Разработанная расчетная схема и предложенная технология численного моделирования деформирования защитного слоя из непропитанной арамидной нити позволяет получить результаты, качественно (пробитие или не пробитие намотки) согласующиеся с имеющимися экспериментальными данным. В принятых условиях нагружения по результатам расчетов слой нитей толщиной 8 мм пробивается, а слой толщиной 16 мм - не пробивается.
2. Расчетные и экспериментальные конечные состояния слоя намотки после взаимодействия с ударником не противоречат друг другу, а сравнение промежуточных состояний показывает близость развития расчетного процесса деформирования нитей.
3. Проведены расчеты с использованием полученной модели намотки при наличии металлической пластины. Результаты деформирования пластины в эксперименте и расчете схожи. Расчетным путем доказано, что при наличии имитатора корпуса (металлической пластины) комбинированный корпус удерживает имитатор лопатки при толщине непропитанной арамидной намотки 8 мм.
С использованием верифицированной модели намотки из непропитанных арамидных нитей в составе комбинированного корпуса выполним расчет разработанной конструкции комбинированного корпуса.
Расчетная модель включает в себя все основные статорные и роторные элементы конструкции, взаимодействующие в процессе обрыва лопатки и образующие силовую схему узла (двигателя) (рисунок 6.1). Статорные детали в расчетной схеме представлены четырьмя корпусами первой, второй, третей ступени, переходным корпусом и надроторным устройством (рисунок 6.2). Корпус первой ступени КНД подробно показан на рисунке 6.3.
Для проведения расчета в ПК LS-DYNA вся модель была разбита на конечные элементы, причем при построении конечно-элементной модели надроторного устройства, корпусов второй, третей ступени и переходного корпуса используются элементы типа SOLID с линейным распределением параметров. Намотки из нитей полностью соответствует модели, верифицированной в главе 5. Алгоритм моделирования обрыва лопатки и предварительного нагружения лопаток подробно описан в главе 3. Граничные условия идентичны условиям при расчете цельнометаллического корпуса (глава 3). Помимо этого задан контакт между намоткой и деталями геометрии конструкции, а так же обрываемой лопаткой.
Анализ результатов расчета показывает, что в процессе взаимодействия с защитным корпусом лопатка фрагментируется на три части. Первый излом образуется на расстоянии -70% длины лопатки от хвостовика. Второй излом происходит в средней части лопатки на расстоянии примерно 50% от хвостовика. Временные зависимости модуля, а также радиальной и касательной составляющих вектора скорости каждого из обломков показаны на рисунках 6.6 -6.8. Представленные зависимости получены следующим образом: в трех зонах оборвавшейся лопатки, принадлежащих трем будущим фрагментам, выбиралось по 20 точек, равномерно распределённых по площади фрагмента. Затем скорости этих точек осреднялись в каждый момент времени по числу выбранных точек. Анализ приведённых графиков показывает, что основной вклад в формирование вектора скорости вносит касательная составляющая (глава 3).
В результате соударения оборвавшейся лопатки и ее фрагментов с корпусом на нем образуются зоны высоких деформаций, которые возникает от удара лопатки. На рисунке 6.9 показаны разрушения металлической основы корпуса. Разрушение металлической основы корпуса наступает при достижении предельного значения пластических деформаций [86].
Из представленных рисунков видно, что металлическая основа комбинированного корпуса не в состоянии удержать оборвавшуюся лопатку. Удержание лопатки происходит за счет непропитанной арамидной намотки. Часть нитей разрывается, а остальные не позволяют лопатке вылететь наружу.
Анализ поведения намотки на металлической основе во времени показывает, что вытягивание и интенсивное трение нитей происходит в моменты ударов лопатки и ее фрагментов. Импульс, полученный от удара лопатки, распределяется по всей длине намотки. Это обеспечивает эффективное использование намотанных непропитанных нитей для удержания лопатки и ее фрагментов. Поведение намотки представлено на рисунке 6.10.
На рисунке 6.11 представлены временные зависимости модуля контактной силы и ее компонент между оборвавшейся и набегающей лопатками. В результате контактного взаимодействия между лопатками происходит изгиб набегающей лопатки, который передается на корневую часть и хвостовик. Уровень деформаций в набегающей лопатке (рисунок 6.12) позволяет сделать вывод о сохранении целостности набегающей лопатки при условии известного критерия разрушения для материала лопатки вентилятора [126,127].
Использование в конструкции корпуса слоя из непропитанных арамидных нитей w мм. Комбинированный корпус получается легче на 24 %.
В диссертации разработан метод расчета комбинированных корпусов, состоящих из непропитанных арамидных нитей и металлической основы, на базе конечно-элементного кода LS-DYNA, верифицированный по результатам натурных экспериментов. В рамках работы: 1. Впервые создана конечно-элементная модель непропитанных арамидных нитей учитывающая дискретность намотки. По результатам натурных экспериментов выполнена верификация созданной модели намотки из непропитанных арамидных нитей в составе комбинированного корпуса. Разработанная модель намотки может быть использована для расчета удержания комбинированным корпусом оборвавшейся лопатки. 2. Разработана установка, для проведения экспериментов по определению свойств непропитанных арамидных нитей. С использованием этой установки проведена серия экспериментов по определению свойств непропитанных арамидных нитей: определены значения максимальных усилий на разрыв нити. Полученные свойства используются для наполнения модели намотки из непропитанных арамидных нитей. 3. Проведены испытания по определению характера взаимодействия имитатора лопатки и непропитанной арамидной намотки имитатора комбинированного корпуса. Доказана стойкость намотки из непропитанной арамидной нити к пробитию фрагментами аварийно оторвавшейся лопатки вентилятора. По результатам экспериментов, проводимых практически при одинаковой скорости имитатора лопатки, имеем: намотка из арамидных нитей толщиной 8 мм пробивается, а намотка из арамидных нитей толщиной 16 мм не пробивается. Но при наличии имитатора корпуса (металлической пластины) толщиной 2,5 мм комбинированный корпус удерживает имитатор лопатки при толщине непропитанной арамидной намотки 8 мм. 4
