Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины
Национальный аэрокосмический университет
им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”
кафедра 203
«РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСКА ТРДД»
Выполнил: студент гр.252
Климович Е.И.
Проверил: ассистент
Марценюк Е.В.
Харьков 2012
СОДЕРЖАНИЕ
1. Подготовка исходных данных 3
2. Механические факторы нагружения 4
3. Статический расчет на прочность 4
4. Тепловой стационарный расчет на максимальном режиме 6
5. Расчет напряженного состояния, с учетом тепла 8
6. Расчет напряженного состояния, с учетом стационарного тепла
в SOLID WORKS 9
7. Нестационарный расчет теплового состояния 10
8. Расчет термонапряженного состояния 14
Заключение 16
1. Подготовка исходных данных
Исходные модели диска турбины высокого давления, валов КВД и ТВД подготавливаем в КОМПАС-3D V-13. Масштабируем с коэффициентом масштабирования 0,001 и сохраняем в формате IGES.
Открываем ANSYS. С помощью команд file-import-iges импортируем модель диска турбины. Создаем площадь диска. Последовательно к ней импортируем модели дисков КВД и ТВД. Создаем их площади.
Используемые типы элементов:PLANE182 - для структурного анализа, PLANE55 - для теплового анализа. Создаем модели двух материалов: 1 – для диска (ЭП-742) и 2 – для валов (ЭИ-696). Для решения задач в ANSYS необходимо задать следующие свойства материала: плотность, модуль упругости, модуль Пуассона, теплоемкость, коэффициенты линейного расширения и теплопроводности. Сохраняем готовую модель для дальнейших расчетов
Рисунок 1.1 – Схема теплового нагружения
2. Механические факторы нагружения
В случае решения задачи по механике деформируемого твердого тела необходимо задание условия закрепления и нагрузок. При расчете диска на установившемся взлетном режиме задаем контурную нагрузку, которая заменяет реакцию от центробежных сил и угловую скорость, соответствующую оборотам ротора ВД на этом режиме.
Контурная нагрузка:
где
число
лопаток рабочего колеса;
напряжение
в корневом сечении пера лопатки, МПа;
площадь
корневого сечения лопатки,
плотность
материала ЭП-742,
площадь
радиального сечения разрезной части
обода,
;
радиус
до центра тяжести разрезной части обода,
м;
радиус
до разрезной части обода, м;
ширина
разрезной части обода, м;
окружная
скорость диска, рад/с:
где
частота
вращения диска, об/с;
3. Статический расчет на прочность
Открываем сохраненную модель диска с валами. Задаем вид расчета – статический (STATIC), тип элементов - четырехузловой PLANE182. В опциях элемента задаем осесимметричность.
Создаем сетку. Сетка приведена на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 – Сетка конечных элементов
Прикладываем контурную нагрузку 231,2 МПа, задаем окружную скорость 1497,5 рад/с. Закрепляем модель от перемещений вдоль оси вращения. Проводим расчет. Результаты расчета приведены на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Поле эквивалентных напряжений
Так как диск с валами соединен болтом, то при расчете максимальных напряжений в отверстии нужно учитывать коэффициент концентрации.
Таблица 3.1 – Напряжения в характерных точках отверстия под болт
Номер узла |
Максимальное напряжение в модели, Па |
Коэффициент концентрации |
Действующие напряжения, Па |
1405 |
|
2,45 |
|
1841 |
|
2,45 |
|
1551 |
|
2,45 |
|
4. Тепловой стационарный расчет на максимальном режиме
Открываем сохраненную модель диска с валами. Задаем вид расчета – термический (THERMAL), тип элементов - четырехузловой PLANE55. В опциях элемента задаем осесимметричность.
Расчет граничных условий:
Задание температуры среды:
Расчет коэффициента теплоотдачи:
Рассчитанные значения ГУ занесены в таблицу 4.1
Таблица 4.1 – Значение ГУ на участках диска
N |
R, м |
U, м/с |
Tcp, C |
μ, Па*с |
λ, Вт/м*К |
Re |
Nu |
α, Вт/м3*К*час |
Е, Мпа |
1 |
0,06736 |
100,8 |
494 |
2,75E-05 |
0,0403 |
3,60E+06 |
3640,98 |
2178 |
1,829E+11 |
2 |
0,10277 |
153,8 |
500 |
2,76E-05 |
0,0405 |
8,23E+06 |
7052,92 |
2781 |
1,822E+11 |
3 |
0,15156 |
226,8 |
514 |
2,79E-05 |
0,0410 |
1,72E+07 |
12744,89 |
3450 |
1,808E+11 |
4 |
0,20545 |
307,5 |
535 |
2,84E-05 |
0,0418 |
2,99E+07 |
19818,50 |
4032 |
1,786E+11 |
5 |
0,25798 |
386,1 |
561 |
2,90E-05 |
0,0428 |
4,41E+07 |
26987,26 |
4478 |
1,756E+11 |
6 |
0,28027 |
419,5 |
574 |
2,93E-05 |
0,0433 |
5,03E+07 |
30001,64 |
4636 |
1,741E+11 |
7 |
0,29053 |
434,8 |
581 |
2,94E-05 |
0,0436 |
5,32E+07 |
31371,25 |
4704 |
1,734E+11 |
8 |
0,25676 |
384,3 |
561 |
2,90E-05 |
0,0428 |
4,37E+07 |
26821,13 |
4469 |
1,757E+11 |
9 |
0,19286 |
288,7 |
529 |
2,82E-05 |
0,0416 |
2,68E+07 |
18121,74 |
3908 |
1,792E+11 |
10 |
0,15403 |
230,5 |
515 |
2,79E-05 |
0,0411 |
1,78E+07 |
13055,32 |
3479 |
1,807E+11 |
11 |
0,09633 |
144,2 |
499 |
2,76E-05 |
0,0405 |
7,26E+06 |
6379,06 |
2680 |
1,824E+11 |
12 |
0,10213 |
152,9 |
500 |
2,76E-05 |
0,0405 |
8,13E+06 |
6985,00 |
2771 |
1,823E+11 |
13 |
0,06572 |
98,4 |
494 |
2,75E-05 |
0,0403 |
3,43E+06 |
3502,06 |
2146 |
1,829E+11 |
Полученные коэффициенты теплоотдачи и температуры среды прикладываем к линиям соответствующим поверхностям деталей. Результаты расчета представлены на рисунке 4.1
Рисунок 4.1 – Поле температур на максимальном режиме