Решение сопряженных задач и моделирование деформирования элементов двигателей в программном комплексе ANSYS

94 Pages·1.682 MB·Russian

by  Ермаков А.И., Шкловец А.О.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

А.И. Ермаков, А.О. Шкловец

Решение сопряженных задач и моделирование
деформирования элементов двигателей
в программном комплексе ANSYS

Электронное учебное пособие

С А М А Р А

2011
УДК СГАУ: 621.438.001.2
ББК СГАУ: 39.55

Авторы: Ермаков Александр Иванович,
Шкловец Александр Олегович

Рецензент: д-р техн. наук, профессор В.Н. Матвеев

Ермаков, А.И. Решение сопряженных задач и моделирование
деформирования элементов двигателей в программном комплексе ANSYS
[Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / А.И. Ермаков, А.О. Шкловец;
Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т. С.П. Королева (нац. исслед.
ун-т). - Электрон. текстовые и граф. дан. (1,7 Мбайт). - Самара, 2011. - 1 эл. опт.
диск (CD-ROM). - Систем. требования: ПК Pentium; Windows 98 или выше.

В учебном пособии подробно рассмотрено создание и расчёт конечно-
элементной модели лопатки компрессора, создание конечно-элементной модели
для газодинамического расчёта в CFX, а также создание конечно-элементной
модели с высококачественной структурной сеткой для прочностного расчёта
лопатки в Ansys Mechanical. Отличительной особенностью прочностного расчёта
является приложение газовой нагрузки путём её импорта из газодинамического
расчёта.

© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2011
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...............................................................................................4
1 Теоретические основы методики профилирования лопатки...............5
2 Создание геометрии пера в Ansys ...................................................15
3 Перенос геометрии лопатки в CFX для газодинамического расчета 39
4 Построение конечно-элементной модели в Ansys ............................50
5 Импорт давления из CFX .................................................................68
Заключение .........................................................................................73
Список использованных источников ..................................................74
Приложение ........................................................................................75

3
ВВЕДЕНИЕ
Развитие техники ставит новые задачи в области исследования
работоспособности машин и их элементов. Повышение их
надежности и долговечности, являясь важнейшим фактором,
определяющим рост конкурентоспособности изделий, связано с
достоверным определением "опасных" мест конструкции.
Эффективным, широко используемым современным средством
достижения поставленной цели является использование метода
конечных элементов. Один из наиболее мощных расчетных
коммерческих программных продуктов для конечно-элементного
анализа является ANSYS. Данный продукт имеет набор программ, как
для прочностного анализа, так и для газодинамического расчета.
Очевидно, что для расчета на прочность различных элементов
конструкции двигателя, находящихся в потоке газа или воздуха,
нагрузку необходимо прикладывать из газодинамического расчета
обтекания данного элемента. Ansys позволяет решать сопряженные
задачи при помощи технологии FSI (fluid structure interactive). Она
объединяет такие решатели как CFX и Ansys Mechanical.
В пособии рассмотрен расчет на прочность лопатки компрессора,
приведена методика профилирования пера лопатки, построения
упорядоченной конечно-элементной сетки, перенос нагрузки из CFX.
Рекомендуется студентам 4 курса в качестве пособия по курсовому
проектированию в рамках дисциплины «Динамика и прочность ГТД».
Кроме того, представленная информация может быть
использована в работе проектных и научно-исследовательских
организаций авиационной, ракетно-космической, транспортной,
судостроительной, энергетической, нефтегазовой и других отраслей.
4
1 Теоретические основы методики профилирования лопатки
Из курсовой работы по ТРЛМ необходимо взять следующие
параметры профиля сечения лопатки (рис. 1):
 - лопаточный угол входа
1л
 - лопаточный угол выхода
2л
b- хорда профиля
 - угол установки профиля
уст
r - радиус входной кромки
1
r - радиус выходной кромки
2
- угол заострения входной кромки
1
- угол заострения выходной кромки
2

Рис. 1. Сечения пера лопатки
В классической теории профилирования, угол заострения
является турбинным параметром, поэтому для компрессора его
необходимо снять с эскиза профиля лопатки, построенного в курсовой
работе по ТРЛМ.
5
В Ansys профиль лопатки будем задавать сплайнами спинки и
корытца, и дугами входной и выходной кромки. Для построения
сплайны спинки (корытца) воспользуемся следующей методикой:
1) Разобьем сплайн на m участков равной длины.
Рассмотрим участок между точкой i и i+1 :

Рис. 2. Участок сплайна
Здесь  - угол между касательными в точках начала и конца
i
участка i, l - длина хорды участка. Угол наклона касательной к началу
сплайна спинки обозначим как , следовательно:
1
  
2 1 1
  
3 2 2
.......................
  
i i1 i1
2) Введем дополнительные обозначения для i-го участка
сплайна:
6
Рис. 3. Угловые параметры участка сплайна
Изменение угла касательной на участке -    .  -
i i (i1) i
угол наклона хорды участка к оси Х. - угол между хордой участка
i
и касательной к начальной точке данного участка. Введем параметр,

определяющий отношение между двумя этими углами: g  i
i 
i
Таким образом, необходимо задать распределение касательных к
сплайнам по всей длине сплайна и при помощи параметра g
определить углы наклона хорд сплайна к оси Х, а затем определить
длину хорды, следовательно, мы сможем построить все точки сплайна.
Рассмотрим принцип определения длины хорды и задания
касательных к сплайну на примере сплайна спинки.
Сплайн разобьем на две половины, по точке в которой угол
касательной к оси Х равен нулю:
7
Рис. 4. Разбивка сплайна на два участка
Для первой половины сплайна   g, выражая 
i i i
через углы наклона касательной и хорды (по рис. 3), получим:
  g  (1)
1i 1i 1 1i
Для второй половины сплайна (вывод данного уравнения
опустим)
  g  (2)
2i 2i 2 2i
Таким образом, мы получили зависимости угла наклона хорды
участка от касательных к точкам начала и конца участка. Теперь
определим длину хорды участков первой половины спинки:
8
Рис. 5. Первая половина сплайна спинки
Сумма проекций хорд на ось Х определится следующим
выражением:
m1
l cos . Ось Х совпадает с хордой профиля. Из рис. 5
1c ic
1
следует:
m1
l cos  x r sin (3)
1c ic cm 1 1c
1
x - координата точки, в которой угол между касательной к
cm
сплайну спинки и хордой равен нулю.
Определение угла  будет описано далее.
c
Длина хорды участков первой половины сплайна определяется
следующим выражением:
9
x r sin
l  cm 1 1c (4)
1c m1
cos
2ic
1

Рис. 6. Вторая половина сплайна спинки
Длина хорды второй половины сплайна определится выражением
bx r sin
l  cm 2 2c (5)
2c m1
cos
2ic
1
Рассмотрим входную и выходную кромки и определим углы  и
1c
 ,через исходные параметры сечения. Ось ОХ совпадает с хордой
2c 1
сечения.
10