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

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 22 августа, печатный экземпляр отправим 9 сентября.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

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

Дата публикации: 31.12.2019

Статья просмотрена: 21 раз

Библиографическое описание:

Махмутов, Р. Г. Оптимизация диска турбины ГТД в упруго-пластичной постановке с помощью ANSYS Mechanical APDL / Р. Г. Махмутов, Г. Г. Кутлугаллямов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 52 (290). — С. 44-49. — URL: https://moluch.ru/archive/290/65919/ (дата обращения: 12.08.2020).



В статье показано выполнение оптимизация диска турбины ГТД по массе в упруго-пластичной постановке задачи в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL.

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

Минимальная масса — это одно из основных требований, которым должны отвечать эксплуатируемые в настоящее время авиационные двигатели (АД). Общая масса двигателя складывается из суммы масс отдельных узлов и деталей. Из практики известно, что каждый лишний 1 кг массы двигателя вызывает увеличение массы самолета на 3 кг. Также к важнейшим характеристикам, определяющим совершенство АД, относится удельная масса. В значительной мере эти характеристики определяются конструктивными особенностями турбины. Таким образом, снижая массу диска турбины — ее основного элемента при сохранении других ее характеристик в оптимальном диапазоне можно добиться совершенствования АД.

Исходные данные:

  1. Угловая скорость: ;
  2. Контурная нагрузка: ;
  3. Температура диска от: от 650 до 900 К;
  4. Материал: ЭИ-698 ВД (;
  5. Кривая деформирования сплава ЭИ-698 ВД, представленная ниже (рис. 1).

Рис. 1. Кривая деформирования сплава ЭИ-698 ВД

  1. 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. 2).

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.

Рис. 2. Облик диска

Таблица 3

Варьируемые параметры

Параметр

Диапазон

120…135

140…170

210…245

40…60

15…25

7…15

3…35

3…25

Начинаем работу с создания геометрической модели. Выполняем задание варьируемых параметров: Utility Menu → ParametersScalar Parameters. Создаем геометрическую модель, создав последовательно примитивы: точки → линии → скругления, при этом при задании координат точек, используем созданные ранее параметры.

После создаем площади по линиям, вводим характеристики материала, указываем тип и размера элемента (диск — осесимметричное тело, выполненное из одного материала), создаем расчетную сетку. Задаем следующие граничные условия: ограничение по осевым перемещениям (фиксация в точке крепления диска к валу), контурную нагрузку, угловую скорость и температуры, заданные на различных радиусах в соответствии с параболической зависимостью:, где — температура ступицы. Расчетная модель представлена ниже (рис. 3).

Рис. 3. Расчетная модель

Производим расчет. После выполнения расчета приступаем к оптимизации. Целевая функция — 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. Коэффициент запаса прочности по итерациям

Рис. 7. Эквивалентные напряжения по объемам

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 диска уменьшилась с 35,016 кг до 30,143 кг, таким образом, масса уменьшилась на 13,92 % при сохранении минимального коэффициента запаса прочности , лежащего в диапазоне рекомендуемых значений допускаемых коэффициентов запаса прочности .

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, геометрическая модель, деформирование сплава, контурная нагрузка, лист оптимизации, параметр, расчетная модель, таблица, угловая скорость.


Похожие статьи

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.

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical

Расчетная модель представлена на рис. 2. Определим работоспособность конструкции, как

Добавим модуль Topology Optimization, вновь зададим такие же материал, параметры сетки и ГУ на новую модель конструкции.

Топологическая оптимизация в ANSYS. [Электронный ресурс].

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...

Подход к численному моделированию процесса прессования...

Реализация численной модели процесса прессования на базе программного пакета Ansys/Ls-dyna может быть разделена на следующие основные этапы: задание исходных данных в предпроцессор (предпроцессор ANSYS и/или

Таблица 1. Основные параметры системы.

Численное термогазодинамическое моделирование процесса...

Расчётная модель представляет собой ¼ часть всей модели. На данной геометрической модели построена тетраэдрическая конечно-элементная сетка, состоящая из 300 000 элементов с призматическим пограничным слоем и с уменьшением размеров элемента в области горения.

Методическое обеспечение решения математических моделей

При использовании метода конечных элементов для моделирования различных твердых тел много ресурсов используется для решения систем линейных уравнений. В данной статье обобщена информация о наиболее популярных программных комплексах конечно-элементного...

Анализ лопастей турбины ГТД из карбида титана в пакете Ansys

Физические параметры последней ступени одноконтурного ГТД оказывают решающее влияние на выбор

Использование нового материала позволяет использовать более высокие нагрузки на последние ступени ГТД, в

Процесс определения напряжений в лопатке Ansys-Workbench

Ускорение расчета динамического... | Молодой ученый

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...

Алгоритм многокритериальной оптимизации многоступенчатого...

В [3] описана разработанная математическая модель оптимального проектирования редуктора с использованием метода многокритериальной Парето-оптимизации, включающая целевую функцию и систему ограничений, налагаемых на конфигурации варьируемых параметров.

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.

Похожие статьи

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.

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical

Расчетная модель представлена на рис. 2. Определим работоспособность конструкции, как

Добавим модуль Topology Optimization, вновь зададим такие же материал, параметры сетки и ГУ на новую модель конструкции.

Топологическая оптимизация в ANSYS. [Электронный ресурс].

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...

Подход к численному моделированию процесса прессования...

Реализация численной модели процесса прессования на базе программного пакета Ansys/Ls-dyna может быть разделена на следующие основные этапы: задание исходных данных в предпроцессор (предпроцессор ANSYS и/или

Таблица 1. Основные параметры системы.

Численное термогазодинамическое моделирование процесса...

Расчётная модель представляет собой ¼ часть всей модели. На данной геометрической модели построена тетраэдрическая конечно-элементная сетка, состоящая из 300 000 элементов с призматическим пограничным слоем и с уменьшением размеров элемента в области горения.

Методическое обеспечение решения математических моделей

При использовании метода конечных элементов для моделирования различных твердых тел много ресурсов используется для решения систем линейных уравнений. В данной статье обобщена информация о наиболее популярных программных комплексах конечно-элементного...

Анализ лопастей турбины ГТД из карбида титана в пакете Ansys

Физические параметры последней ступени одноконтурного ГТД оказывают решающее влияние на выбор

Использование нового материала позволяет использовать более высокие нагрузки на последние ступени ГТД, в

Процесс определения напряжений в лопатке Ansys-Workbench

Ускорение расчета динамического... | Молодой ученый

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...

Алгоритм многокритериальной оптимизации многоступенчатого...

В [3] описана разработанная математическая модель оптимального проектирования редуктора с использованием метода многокритериальной Парето-оптимизации, включающая целевую функцию и систему ограничений, налагаемых на конфигурации варьируемых параметров.

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.

Задать вопрос