Разработка и применение компьютерной технологии для численных исследований прочности, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей

Современный уровень развития вычислительной техники, численных методов и программных средств решения задач механики позволяет с приемлемой точностью моделировать напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкций при различных воздействиях. Однако, высокоточное численное решение стационарных и нестационарных задач нелинейного деформирования сложных конструктивных элементов авиационных двигателей (АД) с учётом образования пластических деформаций, геометрической нелинейности и контактного взаимодействия, по-прежнему, представляет собой весьма сложную практическую задачу. Это обусловлено, прежде всего, значительными трудозатратами на построение дискретных расчётных моделей большой размерности и обработку результатов расчётов, а также необходимостью использования современных вычислительных средств и эффективных расчётных технологий, без которых невозможно получить решение многих задач анализа прочности сложных элементов АД с высокой точностью. Кроме того, при проектировании сложных узлов АД со значительными трудностями связаны также выбор и обоснование комплекса учитываемых нагрузок, проведение расчётной оптимизации по массе, тщательный подбор геометрических размеров и материалов [1−7].

В настоящее время на отечественных предприятиях авиационного двигателестроения при проектировании и расчётном обосновании прочности различных изделий используется ряд современных коммерческих программных комплексов (ПК): АШУБ, АВАС^Ш, Ь8-БУЫА, МБСЛЧАЗТЯАЫ и др. Однако, опыт практического применения показывает, что эффективность использования этих программных средств для расчёта прочности сложных конструктивных элементов АД существенно зависит от «адаптации» численных технологий (способов генерации расчётных сеток, алгоритмов решения и средств обработки результатов) к рассматриваемому классу задач [7−12]. Новые компьютерные технологии, основанные на комплексном использовании различных программных средств и «адаптированные» к исследованиям прочности сложных узлов АД, позволяют повысить точность расчётов, существенно сократить сроки проектирования и сэкономить значительные материальные ресурсы. В работе [7] отмечается, что в соответствии с требованиями рынка сроки разработки новых двигателей гражданской авиации четвёртого и пятого поколений в ведущих фирмах мира уменьшены уже до 30 — 36 месяцев. При этом наметилась тенденция к сокращению числа двигателей, используемых для испытаний и доводки. Очевидно, что такие условия разработки АД возможны только при значительных преобразованиях в практике проектирования, охватывающих, как организацию работ и методы проектирования, так и используемые при этом расчётные технологии. За счёт внедрения новых методов проектирования и эффективных технологий численного моделирования физических процессов планируется в ближайшие годы сократить сроки проектирования АД не менее, чем на 40%-50% и на 15−60% производственные затраты. В связи с этим разработка и применение новых компьютерных технологий, а также совершенствование методических подходов для повышения эффективности расчётных исследований и проектирования сложных конструктивных элементов АД являются актуальными задачами и имеют важное практическое значение.

Для проведения численных исследований прочности сложных элементов АД с высокой точностью необходимо создавать их дискретные расчётные модели большой размерности и хорошего качества. Разработка таких моделей является важнейшим этапом решения задач, поскольку точность результатов расчёта во многом определяется качеством сетки. При этом временные затраты на построение сеток чаще всего значительно превосходят затраты на остальные этапы решения задач. Анализ информации по данному вопросу, частично представленной в работах [7,8,11,13] показывает, что в некоторых случаях из-за сложной геометрии элементов построение качественной расчётной сетки не представляется возможным на основе наиболее распространённых универсальных ПК. При этом вынужденно допускаются значительные упрощения в расчётных моделях или используются сетки плохого качества, что в большинстве случаев не позволяет выявить с приемлемой точностью действительный уровень и характер распределения параметров НДС в наиболее напряжённых зонах, а также приводит к ошибкам при решении задач. Это не позволяет также эффективно проводить расчётную оптимизацию геометрии сложных деталей на этапе проектирования. Работа на данном этапе усложняется, прежде всего, большой трудоемкостью перестраивания сеток с учетом необходимых изменений геометрии и повторного формирования граничных условий [7,9−11].

При выполнении численных исследований прочности, устойчивости и долговечности сложных элементов АД на основе расчётных моделей большой размерности достаточно трудоёмкими этапами работ являются также распределение, балансировка и задание комплекса нагрузок, а также обработка результатов расчётов. Для снижения трудозатрат возникает необходимость автоматизации этих этапов решения задач путём разработки специальных макросов или прикладных программ [10, 11]. Особое внимание при решении задач указанного класса приходится обращать на оптимизацию вычислительных процессов на располагаемых вычислительных ресурсах для сокращения времени выполнения работ, а также на дополнительные исследования возможностей вычислительной техники и используемых ПК [10].

Ещё одной актуальной проблемой на этапе проектирования современных АД является проблема прогнозирования малоцикловой долговечности их сложных, наиболее нагруженных элементов, поскольку ресурс относится к основным показателям качества, характеризующим степень совершенства конструкции и экономическую эффективность её эксплуатации [2,14−20]. Известно, что малоцикловая долговечность конструктивных элементов определяется ресурсом материала в наиболее напряжённых зонах с наибольшими темпами накопления повреждений, параметры которых могут сильно отличаться из-за различия свойств материалов, конструктивных и технологических особенностей, эксплуатационных условий и т. д. Поэтому современные методы расчёта малоцикловой долговечности сложных элементов АД должны предусматривать детальное и последовательное во времени исследование кинетики НДС в их наиболее напряженных зонах [7,8,14,21,22]. В настоящее время для сложных элементов АД это можно эффективно реализовать только на основе современных компьютерных технологий высокоточного моделирования процессов циклического неизотермического деформирования [5,8,10]. Кроме того, для эффективного проведения оптимизации конструктивных форм сложных деталей АД с целью уменьшения массы и удовлетворения критериям малоцикловой долговечности возникает необходимость в значительной автоматизации таких расчётов. Необходимо отметить, что экспериментальное исследование этих процессов является более трудозатратным, дорогостоящим и в последнее время применяется всё реже.

При разработке компаниями НПО «САТУРН» и «8песта» нового ГТД 8аМ146 для российского регионального самолёта 8ик1ю1 Бире^ среди прочих важных задач возникла необходимость проведения в короткий срок комплекса расчётных исследований прочности элементов ротора вентилятора, а также прочности, устойчивости и термоусталостной малоцикловой долговечности заднего стоечного узла (ЗСУ). Указанные конструктивные элементы являются сложными, весьма ответственными элементами двигателя и входят в список основных узлов, неисправность которых чаще всего является причиной отказов или нарушений эксплуатационных параметров ГТД по данным ИКАО [23]. Кроме того, двигатель 8аМ146 должен удовлетворять требованиям не только российских, но и международных авиационных норм, что предопределило значительное увеличение объёма расчётных работ на этапе проектирования для обоснования соответствия этим требованиям и сертификации.

ЗСУ является опорой ротора двигателя, сопрягаемой с корпусами турбины, камеры сгорания и выходного устройства. В процессе эксплуатации этот узел подвергается комплексному термосиловому воздействию высокотемпературного потока продуктов сгорания топлива и механических нагрузок. Взаимодействие с высокотемпературным потоком приводит к неравномерному нагреву конструкции, что вызывает значительные напряжения, действующие в совокупности с напряжениями от механических нагрузок. При нормальной (штатной) эксплуатации ЗСУ должен деформироваться упруго. В аварийной ситуации, возникающей, например, при обрыве лопатки вентилятора, реализуются предельные механические нагрузки на узел. В этих условиях допускается появление пластических деформаций в конструкции при сохранении её прочности и устойчивости. Кроме того, стоечный узел должен удовлетворять заданным требованиям по малоцикловой долговечности.

Расчёты квазистатического НДС элементов ротора вентилятора при нормальных условиях эксплуатации, когда эти элементы нагружены центробежными и аэродинамическими нагрузками, являются одними из первоочередных работ при проектировании. Для выявления особенностей деформирования и контактного взаимодействия элементов ротора в условиях нормальной эксплуатации, оценки их прочности и проведения оптимизации геометрии возникла необходимость в выполнении подробного расчётного анализа НДС конструкции.

Учитывая сложность геометрии и высокую стоимость изготовления ЗСУ проведение экспериментальных исследований его прочности для множества сценариев нагружения является крайне сложным и дорогостоящим. Для ротора вентилятора экспериментальным путём невозможно определить все особенности деформирования и контактного взаимодействия деталей, что необходимо в первую очередь для оптимизации их конструктивных форм. Проведение расчётов прочности и оптимизации геометрии таких сложных узлов на основе широко распространённых ПК также сопряжено со значительными трудозатратами на подготовку расчётных моделей большой размерности и проведение значительного объёма расчётов для различных вариантов конструкций и режимов нагружения. В связи с этим в ООО «Саровский инженерный центр» на основе современных программных средств разработана эффективная компьютерная технология, позволившая в рамках нескольких договоров с «НПО «САТУРН» выполнить большой объём работ по расчётному анализу прочности указанных элементов ГТД 8аМ146 в приемлемые сроки. На основе разработанной технологии эффективно выполнена также расчётная оптимизация конструктивных форм их элементов. При этом частично использовался лицензионный ПК А^УЗ, установленный на вычислительных ресурсах «НПО «САТУРН» и ЗАО «Саровские лаборатории».

В настоящее время элементы ротора вентилятора и ЗСУ в составе новых опытных двигателей прошли стендовые испытания в «НПО «САТУРН» и лётные в.

ЛИИ им. М. М. Громова. Получено заключение о возможности летных испытаний в составе нового самолета [24]. Результаты комплекса проведенных расчётов частично включены в сертификационные отчёты для аттестации конструкции двигателя на соответствие требованиям EASA и АР МАК России. Двигатель уже получил соответствующие сертификаты типа [25].

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Цели диссертационной работы:

• разработка эффективной технологии генерации расчётных моделей и численных исследований прочности, устойчивости, податливости и малоцикловой долговечности сложных элементов АД, позволяющей снизить трудозатраты, сократить сроки проведения комплексных расчётов и повысить их точность;

• применение разработанной технологии для проектирования и расчётного обоснования прочности ЗСУ и ротора вентилятора нового ГТД SaM146.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие основные задачи:

— проанализировать возможности современных программных средств генерации расчётных сеток для задач анализа прочности и выявить наиболее подходящие из них применительно к элементам АДразработать эффективную технологию построения расчётных моделей сложных элементов АД и оптимизации их конструктивных форм;

— построить высокоточные расчётные модели указанных элементов ГТД SaM146 для проведения расчётов прочностиобосновать выбор параметров расчётных моделей и комплекса учитываемых нагрузок;

— на задачах численного моделирования квазистатического НДС ротора вентилятора выполнить сравнительный анализ эффективности различных методов решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), а также методов моделирования контактного взаимодействия в ПК ANS YS;

— исследовать эффективность новой расчётной технологии на основе метода конечного объёма (МКО), реализованного в ПК STAR ССМ+, для моделирования термонапряжённого состояния сложной конструкции ЗСУ по сравнению с традиционной «конечно-элементной» технологией;

— выбрать методику расчёта малоцикловой долговечности ЗСУ с учётом специфики нагружения и ограниченного объема экспериментальных данных по свойствам материала;

— разработать прикладные программы для автоматизации задания и балансировки нагрузок на моделях большой размерности, расчёта податливости и малоцикловой долговечности ЗСУ, а также обработки результатов;

— исследовать сходимость результатов численных расчётов НДС указанных элементов при сгущении сеток и подтвердить их достоверность на основе сопоставления расчётных данных, полученных в различных ПК, между собой и с данными экспериментов;

— оптимизировать геометрию ЗСУ и деталей ротора вентилятора, а также провести расчётные исследования прочности оптимизированных вариантов.

Для решения поставленных задач использовались следующие современные методы и программные средства:

— программа pro-surf для редактирования CAD-геометрии и подготовки ее поверхностной сетки;

— программа pro-FE и разработанные автором на её внутреннем параметрическом языке дополнительные программные средства для построения конечно-элементных моделей (КЭМ);

— прикладные программы, написанные автором на языке программирования Absoft Fortran v.9.0, для автоматизации формирования граничных условий, балансировки и задания нагрузок на дискретных моделях, расчёта податливости и малоцикловой долговечности ЗСУ, обработки результатов расчётов;

— метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в ПК ANSYS, LS-DYNA и ABAQUS для расчёта параметров нагружения и решения задач прочности и устойчивости;

— метод конечных объемов, реализованный в ПК STAR-CD и STAR ССМ+, для расчёта теплового и напряжённо-деформированного состояний;

— методы экспериментального исследования прочности и податливости ЗСУ.

Научная новизна результатов выполненной работы:

1. Разработана эффективная технология построения дискретных моделей сложных элементов АД для расчётного анализа прочности, позволяющая обеспечить высокое качество дискретизации моделей.

2. На основе численных экспериментов по расчёту НДС ротора вентилятора ГТД SaM146 выявлены оптимальные для такого класса задач методы решения СЛАУ и моделирования контактного взаимодействия в ПК ANSYS и выполнен анализ их эффективности по сравнению с аналогичными методами в ПК LS-Dyna.

3. Исследована эффективность применения нового подхода на основе МКО, реализованного в ПК STAR ССМ+, для моделирования термонапряжённого состояния ЗСУ ГТД SaM146 и выявлено, что такой подход позволяет решать задачу в целом на порядок быстрее, чем технология, основанная на МКЭ.

4. Исследована сходимость результатов решения нелинейных статических задач определения НДС элементов ротора и ЗСУ путём сгущения сеток и выявлена оптимальная степень пространственной дискретизации их моделей.

5. Выполнен анализ влияния на НДС элементов ротора вентилятора заданных контактных условий, начальных зазоров между деталями и аэродинамических нагрузок.

6. Исследованы особенности деформирования различных модификаций конструкции ЗСУ при максимальных эксплуатационных и аварийных нагрузках, а также влияние на её НДС изменения условий закрепления конуса.

Практическая ценность диссертации.

1. Построены высокоточные КЭМ ротора вентилятора и нескольких модификаций ЗСУ ГТД SaM146 для проведения расчётов прочности.

2. Обоснована прочность элементов ротора вентилятора при нормальных условиях эксплуатации и оптимизирована геометрия некоторых его деталей.

3. Выполнены численные исследования прочности, устойчивости, податливости и малоцикловой долговечности различных модификаций сложной конструкции ЗСУ на полных моделях для наиболее «тяжёлых» сценариев нагружения аварийными и максимальными эксплуатационными нагрузкамиспроектирован оптимальный вариант конструкции, удовлетворяющий и весовым ограничениям, и заданным требованиям по прочности.

4. Выявленные оптимальные методы решения СЛАУ и моделирования контактного взаимодействия в ПК ANSYS позволили решать задачи расчёта НДС ротора вентилятора на КЭМ значительно большей размерности, сократить сроки исследований и повысить точность расчётов.

5. Результаты диссертационной работы использованы при разработке ГТД SaM146 в ОАО «НПО «САТУРН» и частично включены в состав сертификационных отчётов для сертификации двигателя в соответствии с требованиями EASA и АР МАК России. Разработанная компьютерная технология используется в ООО «Саровский инженерный центр» и ОАО «НПО"САТУРН» для расчётов прочности сложных элементов АД.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Технология эффективной генерации дискретных моделей сложных элементов АД для решения задач анализа их прочности.

2. Технология моделирования теплового и напряженно-деформированного состояний, а также расчёта податливости, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов АД, позволяющая значительно сократить сроки проектирования и расчётных исследований, получить результаты на полных моделях и за счёт этого повысить точность расчётов.

3. Результаты исследований эффективности моделирования термонапряженного состояния сложной конструкции ЗСУ ГТД SaM146 на основе МКО, реализованного в ПК STAR ССМ+, по сравнению с наиболее распространённым подходом, основанным на МКЭ.

4. Результаты оптимизации и численных исследований прочности, устойчивости, податливости и малоцикловой долговечности конструкции ЗСУ при действии максимальных эксплуатационных и аварийных нагрузок, а также прочности и особенностей контактного взаимодействия элементов ротора вентилятора ГТД SaM146 при нормальных условиях эксплуатации.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается строгой математической постановкой рассматриваемых задач механики квазистатического деформирования конструкций, проведёнными исследованиями сходимости решений, сопоставлением численных результатов, получаемых на основе апробированных ПК, и сравнением их с результатами экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

— 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference «The impulse to ExploreIgniting a Passion for Space» Sacramento CA, USA, 9−12 July 2006;

— II— международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», Нижний Новгород, ННГУ им. H.H. Лобачевского, 11−13 Мая 2007 г.;

— VII— научно-техническая конференция «Молодежь в науке», Саров, РФЯЦВНИИЭФ, 28−30 октября 2008 г.;

— IIIмеждународная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», Нижний Новгород, ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 14−16 Мая 2008 г.;

— IV— международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», Нижний Новгород, ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 12−13 Мая 2009 г.;

— IIIмеждународная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN 2009», Москва, 12−15 октября 2009 г.;

— VIII— международная конференция «Авиация и космонавтика-2009», Москва, МАИ, 26−29 октября 2009 г.;

— IIIмеждународная научно-техническая конференция «Авиадвигатели XXI века», Москва, ЦИАМ им. П. И. Баранова, 30 ноября — 03 декабря, 2010 г;

— XIII— международный семинар «Супервычисления и математическое моделирование», Саров, РФЯЦ — ВНИИЭФ, 3−7 октября 2011 г.;

— научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике-2012», Москва, МАИ, 17−20 апреля 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК, — 2. Отдельные результаты расчётных исследований отражены также в отчётах по проведённым научно-исследовательским работам.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 167 страницах, содержит 72 рисунка и 23 таблицы.

Список литературы

включает 116 наименований литературных источников российских и зарубежных авторов.

5.4. Выводы.

1. Разработана компьютерная технология проведения расчётов радиальной и угловой податливости ЗСУ ГТД. С целью оптимизации выполнения расчётов в рамках этой технологии созданы специальные прикладные программы, позволяющие автоматизировать все этапы расчётов, повысить точность решений и существенно сократить трудозатраты.

2. На основе разработанной технологии выполнены численные расчёты радиальной и угловой податливости различных вариантов конструкции ЗСУ и присоединяемого к нему корпуса опоры подшипника для ГТД 8аМ146 с учётом их теплового состояния в различных временных сечениях заданного полетного цикла для условий полностью изношенного двигателя. Работоспособность технологии продемонстрирована результатами расчётов податливости только для одного из вариантов конструкции.

3. Показано, что полученные результаты численных расчётов хорошо согласуются с результатами экспериментов. Это является подтверждением работоспособности разработанной компьютерной технологии и достоверности полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выявлены наиболее подходящие программные средства и разработана компьютерная технология эффективной генерации расчётных моделей сложных элементов авиационных двигателей для решения задач прочности. Применение данной технологии позволяет сократить время построения сеточных моделей и обеспечить высокое качество пространственной дискретизации при детальном описании всех конструктивных особенностей. На основе этой технологии построены высокоточные КЭМ различных модификаций конструкции ЗСУ и ротора вентилятора ГТД SaM146 для проведения расчетных исследований их прочности.

2. Разработана эффективная технология численного моделирования теплового и напряженно-деформированного состояний, а также расчёта податливости, устойчивости и малоцикловой долговечности сложных элементов авиационных двигателей, основанная на комплексном использовании различных программных средств и позволяющая значительно сократить сроки проектирования и расчётных исследований, провести комплексные расчёты на полных моделях и повысить их точность.

3. На основе численных экспериментов по расчёту квазистатического НДС ротора вентилятора ГТД SaM146 выявлены оптимальные для такого класса задач методы решения СЛАУ и моделирования контактного взаимодействия в ПК ANSYS и выполнен анализ их эффективности по сравнению с аналогичными методами в ПК LS-Dyna. Выявленные методы позволили решать задачи большей размерности, сократить сроки расчётов и повысить их точность.

4. Исследована эффективность применения нового подхода на основе метода конечных объёмов, реализованного в ПК STAR ССМ+, для моделирования термонапряжённого состояния сложной конструкции ЗСУ ГТД SaM146 и выявлено, что такой подход позволяет решать задачу в целом на порядок быстрее, чем технология, основанная на методе конечных элементов.

5. Смоделировано квазистатическое НДС ротора вентилятора ГТД SaM146 и выполнена оптимизация конструктивных форм некоторых его деталей. Изучено влияние начальных зазоров, нелинейных контактных условий и аэродинамических нагрузок на НДС деталей ротора, а также обоснована их прочность при нормальных условиях эксплуатации.

6. Выполнены расчёты прочности, устойчивости, податливости и малоцикловой долговечности различных модификаций конструкции ЗСУ ГТД SaM146 для наиболее «тяжёлых» сценариев нагружения аварийными и максимальными эксплуатационными нагрузками. На основе анализа результатов проведённых исследований спроектирован оптимальный вариант конструкции, удовлетворяющий и весовым ограничениям, и заданным требованиям по прочности. В результате расчётной оптимизации удалось уменьшить вес конструкции почти на 13 кг, а также значительно снизить максимальные значения параметров НДС в наиболее нагруженных зонах. Получено экспериментальное подтверждение результатов расчётов прочности и податливости конструкции ЗСУ.

Дополнительные исследования влияния на НДС модели изменений краевых условий выявили преимущество конструктивного варианта, обеспечивающего проскальзывание торцовых поверхностей бобышек ЗСУ относительно фланца конуса в радиальном направлении. При этом реализуется почти трехкратное снижение максимального уровня деформаций в областях сопряжения стоек с задним фланцем втулки ЗСУ.

7. Результаты диссертационной работы успешно внедрены в ОАО «НПО «САТУРН» при разработке нового ГТД 8аМ146 и частично включены в состав сертификационных отчётов для сертификации двигателя в соответствии с требованиями ЕА8А и АР МАК России. Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующим актом.