Оптимизация диска турбины ГТД в упругой постановке с помощью ANSYS Mechanical APDL | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 31 октября, печатный экземпляр отправим 4 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №52 (290) декабрь 2019 г.

Дата публикации: 31.12.2019

Статья просмотрена: 60 раз

Библиографическое описание:

Махмутов, Р. Г. Оптимизация диска турбины ГТД в упругой постановке с помощью ANSYS Mechanical APDL / Р. Г. Махмутов, Г. Г. Кутлугаллямов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 52 (290). — С. 40-44. — URL: https://moluch.ru/archive/290/65918/ (дата обращения: 23.10.2020).



В статье рассмотрена оптимизация диска турбины ГТД по массе в упругой постановке в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL.

Ключевые слова: оптимизация, снижение массы, диск ГТД, упруго-пластичная задача, ANSYS Mechanical APDL.

Одним из основных технических требований, предъявляемых к авиационным двигателям (АД) является минимальная масса. Турбина — один из самых массивных узлов АД, и снижение массы диска турбины — одного из основных элементов турбины, позволяет значительно уменьшить массу двигателя.

Исходные данные:

  1. Угловая скорость: ;
  2. Контурная нагрузка: ;
  3. Температура диска от: от 650 до 900 К;
  4. Материал: ЭИ-698 ВД (;
  5. Модуль упругости, коэффициент Пуассона и условный предел текучести, а также коэффициент температурного расширения для различных температур представлены в таблицах 1–2 соответственно.

Таблица 1

Механические характеристики сплава ЭИ-698 ВД

T, К

293

673

773

873

973

1073

E,

20000

18200

17500

16500

15500

14300

μ

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

740

-

700

670

650

570

Таблица 2

Коэффициент температурного расширения сплава ЭИ-698 ВД

T, К

293–373

293–473

293–573

293–673

293–773

293–873

293–973

293–1073

293–1173

11

11,4

11,7

12,1

12,4

12,7

13,4

13,9

14,7

Облик диска турбины представлен ниже (рис. 1).

Рис. 1. Облик диска

Оптимизация диска проводится с сохранением ширины , радиуса центрального отверстия , , , , — ширины и радиуса обода.

Варьируемые параметры и диапазон их значений для оптимизации представлены в таблице 3.

Таблица 3

Варьируемые параметры

Параметр

Диапазон

120…135

140…170

210…245

40…60

15…25

7…15

6…35

6…25

Первый шаг — создание геометрической модели. Зададим варьируемые параметры, как параметры: Utility Menu → ParametersScalar Parameters. Выполним построение геометрической модели, последовательно создав следующие примитивы: точки → линии → скругления, причем, создавая точки, задаем их координаты, используя заданные ранее параметры.

Затем были выполнены следующие действия: созданы площади по линиям, введены характеристики материала, указан тип элемента (Plane 42), его размеры (диск — осесимметричное тело, выполненное из одного материала). Выполнено разбиение на элементы. Заданы граничные условия: угловая скорость, контурная нагрузка, ограничение по перемещениям (фиксация диска в точке крепления диска к валу (ограничение осевого перемещения)), температура (задана параболической зависимостью вида: , где — температура ступицы).

Расчетная модель представлена ниже (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная модель

После выполнения расчета необходимо определить есть ли зоны риска, где напряжения превышают напряжения текучести. Картина распределения эквивалентных напряжений представлена ниже (рис. 3). Таких зон нет, следовательно, продолжаем решать задачу в упругой постановке.

Рис. 3. Картина распределения эквивалентных напряжений

Теперь производим непосредственно оптимизацию, целевая функция которой — объем. Результаты оптимизации представлены ниже (рис. 4 — рис.7).

Лист оптимизации представлен ниже (рис. 8).

Рис. 4. Эквивалентные напряжения по итерациям

Рис. 5. Объем по итерациям

Рис. 6. Эквивалентные напряжения по объемам

Рис. 7. Эквивалентные напряжения по площадям

Рис. 8. Лист оптимизации

В качестве конечного варианта выбран полученный в результате 11 итерации. Распределение эквивалентных напряжений этого варианта представлено ниже (рис. 9).

Рис. 9. Распределение эквивалентных напряжений оптимизированного варианта

Заключение: в результате выполнения оптимизации масса уменьшилась с 35,016 кг до 28,367 кг, таким образом, масса уменьшилась на 18,99 %, при этом эквивалентные напряжения не превышают 95 МПа.

Литература:

  1. Галимханов Б. К., Латыпов Р. К. ANSYS: Основы расчета на прочность элементов АД и ЭУ. Методические указания по дисциплине «Конструкция и прочность АД и ЭУ» / УГАТУ, Уфа, 2004 г. — 54с.
  2. Тархов Л. Н., Харитонов В. Ф. Расчет дисков газотурбинных двигателей. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / УГАТУ, Уфа, 2005 г. — 25с.
  3. Харитонов В. Ф. Материалы деталей авиационных газотурбинных двигателей. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / УГАТУ, Уфа, 2004 г. — 38с.
Основные термины (генерируются автоматически): ANSYS, APDL, напряжение, геометрическая модель, картина распределения, контурная нагрузка, лист оптимизации, расчетная модель, угловая скорость, упругая постановка.


Похожие статьи

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical

В статье рассмотрена топологическая оптимизация рычага по массе в программном комплексе ANSYS.

Задача топологической оптимизации в классической постановке — нахождение оптимального с точки зрения жесткости распределения материала в заданной...

Применение программного комплекса ANSYS в компьютерном...

Более подробно изложена программа ANSYS для создания CAD-модели конструкции, а также описана последовательность создания самой модели. Рассмотрены два способа геометрического моделирования и создание конечно-элементной модели.

Идентификация математической модели обтекания крыльевого...

1. Создание геометрической модели. 2. Импортирование геометрии в CAE систему

6. Расчет варианта в расчетном процессоре (ANSYS CFX-Solver). 7. Визуализация и анализ

По результатам сравнения результатов численного трехмерного моделирования в ANSYS CFX с...

Построение математической модели упругой системы станка

В данной работе ставится задача идентификации математической модели, которая описывает колебания сил резания при точении [2]. На рис.1 представлен график изменения силы резания в процессе точения. Рис.1. Изменение силы резания при точении.

Махмутов Ренат Ганиевич — Информация об авторе

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical. №52 (290) декабрь 2019 г. Авторы: Махмутов Ренат Ганиевич, Кутлугаллямов Гали Гарифуллович.

Оптимизация диска турбины ГТД в упруго-пластичной постановке с помощью ANSYS Mechanical APDL.

Разработка подхода к проектированию взлётно-посадочных...

‒ Разработана единая расчетная модель в программном комплексе Ansys Workbench для серии расчетов, работоспособность которой была проверена на примере хвостовой опоры шасси вертолета Ка-62; ‒ На базе имеющейся статистики по затраченным трудоемкостям...

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной...

Ключевые слова: эйлеровы методы, лагранжевы методы, численные методы, расчетная сетка, свободная поверхность, VOF, МАС, алгоритм реконструкции. В работе представлен анализ и классификация существующих методов расчета потоков со свободной поверхностью...

Анализ лопастей турбины ГТД из карбида титана в пакете Ansys

Рис. 1. Модель ГТД GeneralElectricJ85 в разрезе. При работе газотурбинного двигателя на рабочие лопатки

Процесс определения напряжений в лопатке Ansys-Workbench

В пункт «Geometry» вводятся твердотельная модель лопатки, которая была построена в пакете...

Кутлугаллямов Гали Гарифуллович — Информация об авторе

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical. №52 (290) декабрь 2019 г. Авторы: Махмутов Ренат Ганиевич, Кутлугаллямов Гали Гарифуллович.

Оптимизация диска турбины ГТД в упруго-пластичной постановке с помощью ANSYS Mechanical APDL.

Ускорение расчета динамического напряженно-деформированного...

Рассмотрен подход к ускорению расчета динамического напряженно-деформированного состояния с использованием графических сопроцессоров и стандарта OpenCL. Реализована вычислительная программа-прототип расчета для пластины с разными вариантами реализации...

Похожие статьи

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical

В статье рассмотрена топологическая оптимизация рычага по массе в программном комплексе ANSYS.

Задача топологической оптимизации в классической постановке — нахождение оптимального с точки зрения жесткости распределения материала в заданной...

Применение программного комплекса ANSYS в компьютерном...

Более подробно изложена программа ANSYS для создания CAD-модели конструкции, а также описана последовательность создания самой модели. Рассмотрены два способа геометрического моделирования и создание конечно-элементной модели.

Идентификация математической модели обтекания крыльевого...

1. Создание геометрической модели. 2. Импортирование геометрии в CAE систему

6. Расчет варианта в расчетном процессоре (ANSYS CFX-Solver). 7. Визуализация и анализ

По результатам сравнения результатов численного трехмерного моделирования в ANSYS CFX с...

Построение математической модели упругой системы станка

В данной работе ставится задача идентификации математической модели, которая описывает колебания сил резания при точении [2]. На рис.1 представлен график изменения силы резания в процессе точения. Рис.1. Изменение силы резания при точении.

Махмутов Ренат Ганиевич — Информация об авторе

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical. №52 (290) декабрь 2019 г. Авторы: Махмутов Ренат Ганиевич, Кутлугаллямов Гали Гарифуллович.

Оптимизация диска турбины ГТД в упруго-пластичной постановке с помощью ANSYS Mechanical APDL.

Разработка подхода к проектированию взлётно-посадочных...

‒ Разработана единая расчетная модель в программном комплексе Ansys Workbench для серии расчетов, работоспособность которой была проверена на примере хвостовой опоры шасси вертолета Ка-62; ‒ На базе имеющейся статистики по затраченным трудоемкостям...

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной...

Ключевые слова: эйлеровы методы, лагранжевы методы, численные методы, расчетная сетка, свободная поверхность, VOF, МАС, алгоритм реконструкции. В работе представлен анализ и классификация существующих методов расчета потоков со свободной поверхностью...

Анализ лопастей турбины ГТД из карбида титана в пакете Ansys

Рис. 1. Модель ГТД GeneralElectricJ85 в разрезе. При работе газотурбинного двигателя на рабочие лопатки

Процесс определения напряжений в лопатке Ansys-Workbench

В пункт «Geometry» вводятся твердотельная модель лопатки, которая была построена в пакете...

Кутлугаллямов Гали Гарифуллович — Информация об авторе

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical. №52 (290) декабрь 2019 г. Авторы: Махмутов Ренат Ганиевич, Кутлугаллямов Гали Гарифуллович.

Оптимизация диска турбины ГТД в упруго-пластичной постановке с помощью ANSYS Mechanical APDL.

Ускорение расчета динамического напряженно-деформированного...

Рассмотрен подход к ускорению расчета динамического напряженно-деформированного состояния с использованием графических сопроцессоров и стандарта OpenCL. Реализована вычислительная программа-прототип расчета для пластины с разными вариантами реализации...

Задать вопрос