1383

5.Borkar A., Tsamopoulus J. Boundary-layer analysis of dynamics of axisymmetric capillary bridges // Physics of Fluids A. – 1991. – Vol. 3, No. 12. – P. 2866–2874.

6.Fayzrakhmanova I.S., Straube A.V. Stick-slip dynamics of an oscillated sessile drop // Phys. Fluids. – 2009. – Vol. 21. – 072104.

7.Алабужев А.А., Кайсина М.И. Трансляционная мода собственных колебаний цилиндрического пузырька // Вестник ПГУ.

Физика. – 2015. – Вып. 1 (29). – С. 35–41.

8.Алабужев А.А., Кайсина М.И. Влияние движения линии контакта на осесимметричные колебания цилиндрического пузырька // Вестник ПГУ. Физика. – 2015. – Вып. 2 (30). – С. 56–68.

9.Кайсина М.И. Азимутальные моды собственных колебаний цилиндрического пузырька // Вестник Перм. ун-та. Сер.

Математика. Механика. Информатика. – 2015. – № 2 (29). –

С. 37–45.

10.Алабужев А.А., Кайсина М.И. Собственные азимутальные колебания цилиндрического пузырька в сосуде конечного объема // Вестник ПГУ. Физика. – 2015. – Вып. 3 (31). – С. 38–47.

11.Alabuzhev A.A., Kaysina M.I. The translational oscillations of a cylindrical bubble in a bounded volume of a liquid with free deformable interface // J. Phys.: Conf. Ser. – 2016. – Vol. 681 – 012043.

12.Fayzrakhmanova I.S., Straube A.V., Shklyaev S. Bubble dynamics atop an oscillating substrate: Interplay of compressibility and contact angle hysteresis // Phys. Fluids. – 2011. – Vol. 23. – 102105.

13.Кашина М.А. Отклонение краевого угла цилиндрической капли в переменном электрическом поле [Электронный ресурс] // Физика для Пермского края: материалы регион. науч.-

практ. конф. студ., асп. и молодых ученых. – Пермь, 2016. –

С. 104–107.

14. Alabuzhev A.A., Kashina M.A. The oscillations of cylindrical drop under the influence of a nonuniform alternating electric field // J. Phys.: Conf. Ser. – 2016. – Vol. 681. – 012042.

21

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛООТВОДА

ВОБОЛОЧКОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ АВИАЦИОННЫХ ТУРБИН

ВЗАВИСИМОСТИ ОТ ВРЕМЕНИ РАБОТЫ

И.К. Андрианов, М.С. Гринкруг

Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет,

Комсомольск-на-Амуре, Россия, ivan_andrianov_90@mail.ru

Рассматривается управление течением теплообменного процесса в каналах охлаждения оболочковых элементов при различных временных промежутках нагружения. Представлены результаты численного моделирования геометрических параметров внутренней системы теплоотвода оболочковых элементов, удовлетворяющих предельно допустимому температурному полю на граничной поверхности оболочки. Проведено сравнение расчетных данных при различном времени работы.

Ключевые слова: оболочковый элемент, теплообменный процесс, геометрический параметр, охлаждение, длительная прочность.

Одной из актуальных задач в области моделирования теплообменных процессов и систем авиационной техники является установление закономерностей между определяющими параметрами, позволяющими управлять течением тех или иных процессов с целью повышения температур рабочих газов. Определение связей между наиболее важными характеристиками актуально прежде всего в связи с экономией затрат на проведение различных экспериментов с целью установления оптимальных значений регулируемых величин. Важно отметить, что проблемы оптимизации тепловых процессов в газотурбиностроении рассматривались в работах [1, 2].

Цель исследуемой модели заключается в реализации неравномерного теплового состояния оболочковых элементов турбомашин, удовлетворяющего предельным значениям, допускаемым условием длительной прочности при различных временных промежутках нагружения. Неравномерность теплового состояния обеспечивается на практике за счет регулирования геометрии каналов охлаждения, вариация которой по-

22

зволит снизить интенсивность теплообмена на тех участках, где допустимое тепловое состояние принимает наибольшие значения для определенного времени работы, согласующегося с критерием длительной прочности, и повысить теплоотвод в тех зонах, где тепловое состояние требует установления наименьших значений.

В рамках исследования предложены численные закономерности, связывающие основные газодинамические характеристики, параметры теплоотвода. Связь между определенным временем работы элемента и геометрическими характеристиками строится на основании численных закономерностей, отражающих фундаментальные законы сохранения энергии, импульса, массы. Поскольку выведенные соотношения являются нелинейными, рассматривалось поэтапное решение подзадач и установление неизвестных характеристик.

На рис. 1, 2 представлены результаты численного расчета задачи моделирования при различном времени работы оболочковых лопаток газотурбинного двигателя. Исходные характеристики зависимости длительной прочности от времени соответствуют данным работы [3]. На рис. 1 представлены максимально допустимые значения температур на тепловоспринимающей поверхности оболочки вдоль расчетного контура. Каждая кривая соответствует определенному времени, в течение которого оболочка подвержена тепловому и механическому нагружению. В соответствии с разработанной методикой определено изменение геометрических параметров δr каналов охлаждения вдоль

контура s течения охладителя, при котором обеспечивается требуемое изменение максимального теплового состояния Tmax .

Согласно данным расчета при увеличении времени работы элемента максимально допустимое температурное поле на граничной поверхности уменьшается, соответственно сечение канала будет расширяться медленнее при наибольшем времени нагружения, что требует скорость течения. С изменением вре-

23

мени нагружения от 200 до 1000 часов максимальная допустимая температура Tmax снижается на 33 °С, ширина сечения δr на выходе из канала при s = 0,049 м уменьшается на 0,18 мм.

1 – 200 ч, 2 – 400 ч, 3 – 600 ч, 4 – 800 ч, 1000 – ч

Таким образом, результаты проведенного исследования предоставят возможность снизить расходы хладагента на охлаждение тех зон, которые допускают вариацию геометрии каналов теплоотвода, за счет реализации предельно-допустимого теплового состояния оболочек, удовлетворяющего условиям длительной прочности.

Список литературы

1.Осипов М.И., Байбузенко И.Н.Численный анализ теплообмена и потерь давления при течении по внутренним оребренным каналам и на участках поворота систем охлаждения лопаток газовых турбин // Вестник Москов. гос. техн. ун-та им. Н.Э. Бау-

мана. – 2010. – № 3. – С. 31–39.

2.Золотов А.Н., Ковальногов В.Н., Корнилова М.И. Моделирование и исследование технологии тепловой защиты лопа-

24

точного аппарата турбомашин с использованием газодинамической температурной стратификации // Автоматизация процессов управления. – 2015. – № 4 (42). – С. 101–107.

3. Андриенко А.Г., Гайдук С.В., Кононов В.В. Получение деталей ГТУ с направленной (моно) структурой из жаропрочного коррозионно-стойкого никелевого сплава // Новi матерiалi i технологii в металлургii та машинобудуваннi. – 2012. – № 2. – C. 81–86.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТКИ СПРЯМЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

А.Н. Аношкин, Т.А. Русинова, П.В. Писарев, Г.С. Шипунов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Пермь, Россия, smertina_t@mail.ru

В рамках данной работы была отработана методика расчета на- пряженно-деформированного состояния ЛСА из алюминия при проведении механических испытаний. Определены максимальные напряжения и перемещения, возникающие в лопатке под действием эквивалентной экспериментальной нагрузки.

Ключевые слова: лопатка спрямляющего аппарата, численный эксперимент, напряженно-деформированное состояние, ANSYS, имитационное моделирование.

Разработка и создание авиационных деталей для современных ТРДД являются комплексом сложных и связанных задач. Для оценки эксплуатационных характеристик разрабатываемых изделий нередко прибегают к имитационному и математическому моделированию. Численные модели, позволяют оперативно провести детальное исследование напряженного состояния в наиболее нагруженных областях и сократить объем натурных и имитационных экспериментов.

25

Объектом настоящих исследований является лопатка спрямляющего аппарата (ЛСА) – деталь спрямляющего аппарата, представляющая собой лопатку специализированного профиля, обеспечивающая выравнивание воздушного потока. Рассматриваемая деталь является статорной деталью, нагруженной воздушным потоком.

В рамках данного исследования проводился численный расчет напряженно-деформированного состояния ЛСА из алюминия АГ-4 [1] при проведении имитационных механических испытаний.

Численные эксперименты по оценке напряженно-дефор- мированного состояния лопатки спрямляющего аппарата проводились методом конечных элементов с использованием многопроцессорного пакета прикладных программ ANSYS. Геометрическая модель (рис. 1) построена с использованием специализированного программного комплекса Simens NX.

Рис. 1. Геометрическая модель ЛСА: а – ЛСА; б – мешок с дробью; в – плоскость прилегания пресса

Для лучшей сходимости решения и снижения погрешностей получаемых результатов генерировалась расчетная сетка, ячейки которой имеют призматическую форму. Максимальный размер элемента – 2 мм, минимальный – 1 мм, общее количество расчетных элементов составило 1 155 697 [2].

Процессы рассматривались в трехмерной статической линейной постановке. Рассматриваемая конструкция ЛСА изо-

26

тропная. В качестве материала лопатки задавался алюминий АГ-4. Мешок с дробью рассматривался как ортотропный материал. В качестве материала пресса задавалась сталь. При формулировании физической модели были приняты следующие допущения: не учитывалось трение между мешком и ЛСА; тип взаимодействующих поверхностей между телами рассматривался как идеальный контакт.

При проведении имитационных испытаний нагружение ЛСА осуществляется путем выкладывания на лопатку мешка с дробью для распределения нагрузки и дальнейшего приложения нагрузки с помощью испытательной машины Instron 8801 для имитации эксплуатационного давления (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид испытательной оснастки

сустановленным образцом-макетом ЛСА:

а– плита передачи нагрузки; б – ЛСА; в – мешок дроби для распределения нагрузки; г – плиты закрепления ЛСА

Для моделирования механических испытаний в качестве граничных условий задавались: ограничение перемещений во всех направлениях для верхней полки и нижней полки ЛСА. На поверх- ностьстальногопрессаприкладываласьнагрузка10–250 кгс.

По результатам вычислительных экспериментов были получены картины напряженно-деформированного состояния,

27

так как напряженное состояние трехосное, то в качестве расчетных напряжений приведены эквивалентные напряжения по критерию Мизеса.

На рис. 3 представлены поля распределений напряжений по критерию Мизеса для нагрузки 300 кгс. В местах перехода от пера лопатки к полкам возникают концентрации напряжений.

Рис. 3. Поля эквивалентные напряжений по критерию Мизеса

На рис. 4 представлены поля распределений абсолютных перемещений для нагрузки 300 кгс.

Рис. 4. Распределение абсолютных перемещений лопатки

28

В нагруженном состоянии наиболее сильное отклонение от своего первоначального состояния имеет центральная часть пера лопатки в осевом направлении, максимальные перемещения составили 1,4 мм.

Сравнение результатов численного моделирования с результатами механических испытаний выявило, что максимальная погрешность не превышает 6,8 % и является удовлетворительной для подобного класса задач.

Таким образом, в рамках данной работы:

1.Отработана методика расчета напряженно-деформиро- ванного состояния ЛСА из алюминия при проведении механических испытаний.

2.Определены максимальные напряжения и перемещения, возникающие в лопатке под действием эквивалентной экспериментальной нагрузки.

3.Проведена валидация разработанной численной модели.

Работа выполнена при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» по теме «Научное обоснование конструктор- ско-технологических решений по созданию высоконагруженных узлов перспективных авиационных двигателей, подверженных интенсивному воздействию аэродинамических факторов, из полимерных композиционных материалов на примере лопатки спрямляющего аппарата». Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0080.

Список литературы

1. Технологии и задачи механики композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя / А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов, А.А. Третьяков // Вестник Пермского национального исследова-

29

тельского политехнического университета. Механика. – 2014. –

№4. – С. 5–44. DOI: 10.15593/perm.mech/2014.4.01

2.Компьютерное моделирование механического поведения композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя / М.А. Гринев, А.Н. Аношкин, П.В. Писарев, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механи-

ка. – 2015. – № 3. – С. 38–51. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.04

РОЛЬ ТРЕНИЯ ПРИ УДАРНОМ СЖАТИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ И ЕГО УЧЕТ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ

ДИАГРАММ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

В.Г. Баженов, М.С. Баранова, Д.Л.Осетров

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, mari.baranova18@gmail.com

Приводятся результаты численного исследования влияния трения на напряженно-деформированное состояние образцов-таблеток и их формоизменение в процессе нагружения при больших деформациях. Оцениваются погрешности неучета сил трения при построении динамических диаграмм деформирования в зависимости от величины коэффициента трения, степени деформации, упрочнения и чувствительности к скорости деформации (сталей 12Х18Н10Т, 09Г2С и свинца С1). Предлагается экспериментально-расчетный метод построения динамических диаграмм деформирования с учетом трения.

Ключевые слова: численное моделирование, ударное сжатие, об- разцы-таблетки, упруговязкопластические материалы, динамические диаграммы деформирования, метод прямого удара, трение по Кулону.

Для моделирования динамических процессов в конструкциях необходимо знание динамических диаграмм деформирования, которое можно получить экспериментально методом прямого удара или разрезного стержня Гопкинсона [1]. Чтобы правильно оценить роль трения на контактных поверхностях

30