Прочностное проектирование лопаток и дисков ГТД в конечно-элементном комплексе ANSYS (90
..pdf
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П.В. БОНДАРЧУК, С.В. ФАЛАЛЕЕВ,
ПРОЧНОСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛОПАТОК И ДИСКОВ ГТД В КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОМ
КОМПЛЕКСЕ
ANSYS
2006
САМАРА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»
П.В.БОНДАРЧУК С.В. ФАЛАЛЕЕВ
ПРОЧНОСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛОПАТОК И ДИСКОВ ГТД
В КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОМ КОМПЛЕКСЕ
ANSYS
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
С А М А Р А Издательство СГАУ
2006
УДК 621.431.75:534 ББК 39.55
Б 811
|
|
|
И |
ОНАЛ |
Ь |
Н |
|
|
|
|
|
Ц |
|
|
|
|
|
|
|
Н |
А |
|
|
|
Ы |
|
|
Е |
|
|
|
|
Е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ы |
|
|
|
|
|
П |
||
|
|
|
|
|
|
Р |
||
Н |
|
|
|
|
|
|
О |
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
Е |
Е |
|
|
|
|
|
|
|
К |
Т |
|
|
|
|
|
Ы |
Т |
|
Р |
|
|
|
|
|
|||
И |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Инновационная образовательная программа «Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэрокосмических и геоинформационных технологий»
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В. Б. Б а л я к и н, Главный конструктор СКБМ, канд. техн. наук Е. П. К о ч е р о в
Бондарчук П.В.
Б 811 Прочностное проектирование лопаток и дисков ГТД в конечноэлементном комплексе ANSYS: учеб. пособие / П.В. Бондарчук,
С.В. Фалалеев. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. – 42 с. : ил.
ISBN 5-7883-0460-1
Подробно разобраны методики создания параметрических конечноэлементных моделей лопаток и дисков турбомашин для проведения прочностного проектирования и оптимизации конструкции по массе. Изложена методика проведения модального анализа для построения резонансной диаграммы. Даны рекомендации по анализу результатов.
Учебное пособие предназначено для студентов факультета «Двигатели летательных аппаратов», обучающихся на кафедре «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов» по специальности 160301 «Авиационные двигатели и энергетические установки».
УДК 621.431.75:534 ББК 39.55
ISBN 5-7883-0460-1 |
© Бондарчук П.В., Фалалеев С.В., 2006 |
|
© Самарский государственный |
|
аэрокосмический университет, 2006 |
|
Оглавление |
|
|
Предисловие |
4 |
|
Введение |
5 |
1. |
Расчет неравномерно нагретых дисков турбомашин |
6 |
1.1. |
Подготовка исходных данных для геометрической модели |
6 |
1.2. |
Формирование геометрической модели диска |
7 |
1.3. |
Формирование конечно-элементной модели |
11 |
1.4. |
Задание материала |
13 |
1.5. |
Формирование нагрузок и граничных условий |
14 |
1.6. |
Расчет напряженно-деформированного состояния |
16 |
1.7. |
Визуализация результатов |
16 |
2. |
Проектирование лопатки |
20 |
2.1. |
Подготовка исходных данных для геометрической модели |
20 |
2.2. |
Формирование геометрической модели лопатки |
21 |
2.3. |
Формирование конечно-элементной модели |
31 |
2.4. |
Формирование нагрузок и граничных условий |
32 |
2.5. |
Расчет напряженно-деформированного состояния |
36 |
2.6. |
Визуализация результатов |
36 |
2.7. |
Расчет собственных частот колебаний лопатки |
38 |
|
Заключение |
41 |
|
Библиографический список |
42 |
3
Предисловие
Создание современного конкурентоспособного авиационного двигателя - сложная задача, связанная с решением сложных мультидисциплинарных проблем. Конструктор должен решать комплексно вопросы газодинамического, термического, прочностного анализа, одновременно увязывая их с технологическими проблемами. Для этого он должен владеть рядом современных пакетов и представлять их возможности в целом.
Перед студентами ставится задача в рамках курсовой работы овладеть приемами проектирования основных узлов авиационных газотурбинных двигателей и энергоустановок на базе использования современного конечно-элементного пакета ANSYS. Использование современного пакета позволит существенно улучшить понимание физики явлений и подготовиться к проектированию двигателя с использованием IT-технологий.
Методическое обеспечение разработано для пользователей, владеющих основами метода конечных элементов и прослушавших курс лекций “Динамика и прочность авиационных двигателей и энергетических установок” по специальности 160301 «Авиационные двигатели и энергетические установки». Данная дисциплина является составляющей цикла специальных дисциплин, формирующих всестороннюю подготовку конструкторов по авиационным двигателям и энергетическим установкам. Выполнение курсовой работы с использованием методических указаний позволит перейти на качественно другой уровень, заложив основы знаний параметрического моделирования и написания собственных микропрограмм в ANSYS.
4
Введение
Ansys – конечно-элементный комплекс, относящийся к классу тяжелых программ. Как правило, такие программы позволяют вводить команды через командную строку и дублируют в текстовый файл команды графического меню. Это значительно расширяет функциональность комплекса и облегчает пользователю прочностное проектирование путем создания своих маленьких расчетных подпрограмм. Эти подпрограммы могут использоваться на всех этапах работы: от построения модели до визуализации результатов. Команды, используемые в ANSYS, дополненные некоторыми функциями, образуют полноценный фортраноподобный язык программирования, называемый ANSYS Parametric Design Language (APDL). С помо-
щью этого языка успешно решаются некоторые проблемы, возникающие при прочностном проектировании деталей двигателей летательных аппаратов.
Разработанное учебное пособие позволяет освоить основы параметрического моделирования. В результате выполнения данной работы студентами должны быть написаны полноценные макросы, обеспечивающие, после изменения параметров, геометрические построения, формирование конечно-элементной модели, задание нагрузок, расчет и предварительную обработку результатов. Это позволит в рамках курсовой работы овладеть приемами проектирования основных узлов авиационных газотурбинных двигателей и энергоустановок на базе использования современного конечно-элементного пакета ANSYS.
5
1.Расчет неравномерно нагретых дисков турбомашин
Вкурсовой работе необходимо провести прочностное проектирование диска турбины или компрессора. Суть данного расчета заключается в оптимизации диска по параметрам: коэффициент запаса и масса. Получив исходную конструкцию (чертеж), необходимо доказать, что конструкция диска оптимальна и, если это не так, усовершенствовать ее. Для этого нужен ряд последовательных многократных расчетов с целью исследования влияния имеющихся геометрических размеров и охлаждения.
1.1.Подготовка исходных данных для геометрической модели
Необходимо провести учебный расчет, взяв сечение диска, представленное на рис. 1.
Рис. 1. Сечение диска
Для данного диска выбраны 9 параметров – толщины, радиусы изменения толщин и радиусы скруглений. Их численные значения сведены в таблицу 1.
|
|
Таблица 1. |
Геометрические размеры диска |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметр |
B1 |
B2 |
|
B3 |
r1 |
r2 |
r3 |
R1 |
R2 |
R3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Размер, мм |
65 |
36 |
|
22 |
55 |
85 |
180 |
5 |
3 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для оценки прочности используется осесимметричная модель, то есть для диска задается в качестве геометрической информации только сечение. Осью диска при задании координат точек должна быть ось Y. Задание координат точек производится только для половины модели, так как диск симметричный относительно срединной плоскости. Порядок задания координат точек показан на рис. 2. Радиусы скруглений будут моделироваться непосредственно в Ansys.
6
Рис. 2. Методика захвата координат точек
1.2. Формирование геометрической модели диска
Итак, есть координаты точек. В рабочем каталоге ANSYS создается текстовый файл, например – disk.txt. Первой строкой в нем записывается команда очистки задания ANSYS от предыдущей информации:
FINISH
/CLEAR, START ! Создание нового файла /PREP7 ! Вход в препроцессор
Затем в файле задаются нужные величины нагрузок и геометрические параметры:
! Параметры нагрузки !Температуры ступицы и обода
T_stup = 300
T_obod = 420
!Угловая скорость в рад/с Omega_ = 2000
!Контурная нагрузка
Kontur= - 2.5e5
!Параметры построения
!Толщины
b1 = 65
b2 = 36
b3 = 22
!Радиусы r1 = 55 r2 = 85 r3 = 180
!Скругления r1_ = 5
r2_ = 3
r3_ = 12
!Размер КЭ
Size_=2
7
Чтобы убедиться в работоспособности макроса и правильности задания всех параметров, файл сохраняется и запускается на исполнение командой Utility Menu >File>Read Input from… Затем убедимся в том, что все параметры считаны Ansys: Utility Menu >Parameters>Scalar Parameters…(рис.3).
Рис. 3. Параметры в Ansys
При создании командного файла можно пользоваться дублированием команд в Ansys. Краткий пример - точки создаются командой Main Menu> Preprocessor> Create> Keypoints> In Active CS.
Рис. 4. Вид окна ввода точек
При записи в окно значений (рис. 4), получается точка с номером 10 и координатами X=1; Y=2; Z=3. Смотрится последняя команда log-файла Utility Menu > File> List> Log File.
Она имеет вид: K,10,1,2,3, (рис. 5).
Рис. 5. Вид окна LOG файла
8
Продолжается формирование своего файла. Добавляются команды создания точек сечения. Они, соответственно, имеют вид - K, №точки, X, Y, Z. Таким образом, в файл дописывается:
! Создание точек k,1,r1,0 ,0 k,2,r1,-b1/2,0 k,3,r2,-b1/2,0 k,4,r2,……...… k,5,….……….. k………………
Файл сохраняется и запускается на исполнение командой Utility Menu> File> Read Input from. Получатся 6 точек сечения.
Рис. 6. Точки сечения
Затем точки последовательно соединяются линиями 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-1 (Main Menu> Preprocessor> Create> Lines> Straight Line). Вид получившейся модели изображен на рис. 7.
Рис. 7. Полученные линии
Создаются три скругления командой Main Menu> Preprocessor> Create> Line Fillet,
выделяются две линии, нажимается OK и вписывается нужный радиус в окно RAD (рис. 8).
Рис. 8. Задание радиуса
Выполненные команды вписываются в свой командный файл из файла *.log. Для этого выполняется Utility Menu> File> List> Log file. Откроется файл сессии Ansys. Файл лис-
9