Моделирование колебаний, нагружения и деформирования элементов двигателя под действием газовых, центробежных и силовых нагрузок с использованием CAD/CAE пакетов

210 Pages·011.846 MB·Russian

by  Бондарчук П. В.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П.В. БОНДАРЧУК, Д.П. ДАВЫДОВ, А.С. КОТОВ
Моделирование колебаний, нагружения и
деформирования элементов двигателя под
действием газовых, центробежных и силовых
нагрузок с использованием CAD/CAE пакетов
2010
8
САМАРА
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

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

П.В. БОНДАРЧУК, Д.П. ДАВЫДОВ, А.С. КОТОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ, НАГРУЖЕНИЯ И
ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДВИГАТЕЛЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ГАЗОВЫХ, ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И СИЛОВЫХ НАГРУЗОК С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ CAD/CAE ПАКЕТОВ

Учебное пособие

С А М А Р А
Издательство СГАУ
2010
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 621.452.221.3.01(075)

Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Фалалеев С.В.
гл. констр. ОАО ”КУЗНЕЦОВ” Кочеров Е.П.

Бондарчук П.В., Давыдов Д.П., Котов А.С.
Ф19 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ, НАГРУЖЕНИЯ И ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
ДВИГАТЕЛЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГАЗОВЫХ, ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И СИЛОВЫХ НАГРУЗОК
C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СAD/CAE ПАКЕТОВ: Учеб. пособие / Сост. П.В Бондарчук, Д.П.
Давыдов, А.С. Котов - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2010. - 210 с.; 452 ил.

ISBN

В учебном пособии содержатся сведения об использовании программного продукта
Ansys Workbench при создании элементов конструкции газотурбинных двигателей, моделирования
происходящих в них процессов с использованием CAE/CAD – систем. Приведены алгоритмы
создания модели, конечноэлементной сетки, нагружения и анализа результатов.
Учебное пособие предназначено для студентов факультета двигателей летательных
аппаратов, обучающихся по специальности "Авиационные двигатели и энергетические установки".
Подготовлено на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов.

УДК 621.452.221.3.01(075)

ISBN
© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2010

3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание

Введение 6

1 Ведение в Ansys Workbench 8
2 Cтатическая прочность 21
3 Расчет устойчивости 35
4 Динамический анализ 43
5 Усталостная прочность 75
6 Расчет деформированного состояния фланцевого соединения с учетом
предварительной затяжки болта 103
7 Проектирование лопатки 124
8 Оптимизация и расчет надежности конструкции 150
9 Связанные газодинамический термический и прочностной расчеты (FSI) 174
10 Термо – структурный расчет 201

4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение

Современное направление развития авиадвигателестроения - это постоянное
улучшение удельных показателей, приводящее к росту рабочих параметров. Степень
сжатия в компрессоре, обороты роторов, температура газа за турбиной непрерывно
увеличиваются. Одновременно повышаются требования к надежности проектируемого
двигателя, возрастает ресурс изделия.
Таким образом, проектирование конкурентоспособного двигателя является
сложнейшей задачей, в решении которой, нельзя обойтись без расчетных комплексов.
Причем применять их необходимо на самых ранних стадиях проектирования, при
принятии конструкторских решений. Сам конструктор должен принимать деятельное
участие в расчете и оптимизации конструкции. Но в текущей ситуации в конструкторских
отделах не хватает специфических знаний по прочностному анализу, а прочностной отдел
не в силах проделать потребный огромный объем работы.
Выходом является использование Ansys c интерфейсом WorkBench 2.0. Пакет
Ansys фактически является стандартным пакетом для двигателестроителей России и де-
факто используется на всех предприятиях. На базе его расчетного ядра существуют два
интерфейса. Один традиционный, развивавшийся с момента появления программы и
интерфейс WorkBench 2.0 (WB) - жестко структурированный пошаговый интерфейс. WB
представляет из себя единую расчетную среду, позволяющую решать прочностные,
термические, газодинамические задачи как по отдельности, так и в совместной
постановке. Вместе с тем пакет легок в освоении и за счет пошагового интерфейса и
инструментов контроля не позволит пользователю допустить грубые ошибки. Кроме того,
пакет имеет интерфейс взаимодействия с основными CAD-программами и читает модели
напрямую из них.
Разработанное методическое пособие по применению этого расчетного комплекса
позволит научиться проводить расчеты деталей ГТД и решать вопросы:
• Статической и динамической прочности;
• Устойчивости;
• Расчета колебаний;
• Термических стационарных и нестационарных расчетов;
• Связанных термо-прочностных расчетов;
• Связанных расчетов прочность-гидрогазодинамика;
• Расчетов малоцикловой усталости;
• Расчетов многоцикловой усталости;
• Расчетов надежности конструкции;
• Учет различного рода нелинейностей;
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• Оптимизация конструкции по выбранным критериям.

В методическом пособии будет дана пошаговая методика работы с комплексом.
Освоение материала даст возможность решать задачи высокого уровня в рамках
обучения в университете. Студенты получат возможность на примерах освоить и
научится:

• Проектированию элементов подвески двигателя;
• Расчету устойчивости оболочек;
• Проектированию дисков ГТД с учетом ползучести и пластичности, расчетом
малоцикловой усталости, расчетом разрушающих оборотов;
• Оптимизации формы диска;
• Проектированию лопаток. Построению резонансной диаграммы и отстройке от
опасных частот;
• Нестационарному расчету корпусных изделий. Получению НДС по режимам работы
двигателя;
• Расчету болтовых соединений;
• Расчету усталости.
Получат представление о связанном гидрогазодинамическом и прочностном видах
анализа, анализе надежности, многоцикловой усталости на простых примерах.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 Ведение в Ansys Workbench

Работа с интерфейсом Workbench(WB) имеет некоторые особенности по сравнению
с обычными прочностными пакетами. Сам интерфейс базируется на расчетном ядре Ansys
APDL. Предназначен для пользователей, которым расчет на прочность необходим и
является одним из этапов конструкторской работы. Поэтому, интерфейс простой и
интуитивно понятный, но обуславливающий пошаговую работу с постоянным контролем.
Рассмотрим ключевые этапы создания расчетного проекта. Начинается он с запуска WB.

1.1 Запуск Workbench

Запустить программный комплекс Workbench возможно двумя способами. Первый,
при работе с геометрической моделью, непосредственно из CAD пакета. Ansys, при
установке, встраивает в основные пакеты меню запуска (рисунок 1.1). Нажав на кнопку
Workbench автоматически загружаем текущую модель в Ansys.

Рисунок 1.1 – Интегрированное меню Ansys
Второй способ, через интерфейс Windows, с помощью меню “Пуск” (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 –Запуск Ansys через меню “Пуск”

1.2 Интерфейс Workbench и понятие о схеме проекта

Интерфейс самого WB, представляет из себя меню и два окна: The Toolbox
(панель инструментов) The Project Schematic (схема проекта) (рисунок 1.3).

7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Меню

The Toolbox The Project Schematic
(Панель инструментов) (Схема проекта)

Рисунок 1.3 – Вид основного интерфейса WB
Первый шаг в формировании проекта это создание его схемы. Схема проекта –
графическое представление формирования расчетной модели, этапов ее анализа и
взаимосвязей между ними.
Схема формируется с помощью панели инструментов. Панель содержит в себе
четыре группы (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Четыре группы панели инструментов
• Analysis systems - системы анализа, содержит предопределенные расчетные
сценарии;
• Component systems - компоненты систем, приложения, которые служат для
построения и расширения систем анализа;
• Custom Systems - предопределенные системы, служат для связанных расчетов
таких как тепловой-прочностной и газодинамический-прочностной.
• Design Exploration - анализ конструкции – является менеджером параметров и
утилитой обеспечивающей оптимизацию расчетов;
В дальнейшем по мере работы с системой подробно разберем все группы и их
функциональные возможности.
Разберем схему проекта подробнее на примере создания типового проекта
прочностного анализа. В Toolbox развернем первую вкладку - Analysis System и двойным
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щелчком ЛКМ (левой кнопкой мыши) на Static Structural поместим данную систему
анализа в схему проекта.

Рисунок 1.5 – Схема проекта статического анализа
На рисунке 1.5 представлен добавленный в схему проект. Проект в виде блока с
номером А содержит части, обозначенные построчно цифрами. 1 – Static Structural
(Ansys): тип анализа блока, 2 - Enginiring Data: задание материалов и их свойств, 3 -
Geomerty: построение либо импорт геометрии, 4 – Model: получение сетки конечных
элементов, 5 – Setup: задание нагрузок и начальных условий, 6 – Solution: проведение
расчета, 7 – Results: анализ результатов.
Проект можно создать, нажав на нужный вид анализа ЛКМ и не отпуская,
перетащить его на схему анализа (технология drag and drop).
Более сложные проекты создаются из типовых блоков. Между блоками анализа
устанавливаются связи для передачи данных. Некоторые данные могут быть общими для
разных блоков, например геометрия, некоторые последовательно передаются с одного
блока анализа на другой блок анализа. Рассмотрим пример. В случае последовательного
термо-структурного расчета сначала создаем блок термического расчета Steady-State
Thermal, добавляя его из Analysis systems. Затем ЛКМ, не отпуская, перетаскиваем новую
систему анализа, Static-Structural, в окно схемы проекта. Для того, чтобы между
элементами блоков создались связи, подводим (не отпуская!) курсор к существующему
блоку A. Если поместить курсор в любую ячейку блока А, справа от него появляется окно.
При курсоре находящемся в четвертой строке блока A, отображается Share A2:A4
(рисунок 1.6). Это означает, что во вновь образованный расчетный блок B, будут
переданы данные из строк блока A со второй по четвертую. При смешении курсора на
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шестую строку добавляется надпись Transfer A6, сигнализирующая о будущей передаче
результатов термического расчета в блок B структурного.

Рисунок 1.6 – Добавление блока статического анализа к блоку термического анализа
Завершив операцию, мы получаем на схеме проекта два блока анализа, которые
связаны между собой (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 – Добавленные связи между блоками анализа
Связи между частями блоков обозначены линиями. При полной передаче данных
линии оканчиваются квадратом, при трансферте данных - окружностью. Таким образом
получаем передачу данных о материалах, геометрии, конечно-элементной модели и
данных решения из блока А в блок B.
Справа от каждой части блока стоит значок - пиктограмма. По этим значкам
отслеживается правильность задания данных и текущее состояние задачи. Расшифровка
пиктограмм приведена ниже.

Невыполнимо - данные отсутствуют;

Внимание – проверить данные в этой, либо

вышележащей ячейке;
Требуется регенерация – данные вышележащей ячейке

изменены;
Требуется обновление – данные вышележащей ячейке

10