Объемное напряженно-деформированное состояние и прочность сборных роторов турбомашин с учетом нагрузок от сопряжения

• Автор: Высотский, Аркадий Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 186 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Современное состояние проблемы расчетов на прочность роторов тур-
бомашин на примере анализа роторов авиационных ГТД
1.1. Обоснование необходимости учета контактного взаимодействия деталей сборной конструкции ротора турбомашины
1.2. Применение упруго-пластической контактной задачи метода конечных элементов для оценки прочности сборных роторов турбомашин
Выводы по главе
2. Математическая модель расчета кинетики НДС для оценки прочности
сборных конструкций роторов турбомашин
2.1. Основные зависимости метода конечных элементов для расчета объемного НДС деталей турбомашин
2.2. Разработка контактного конечного элемента для реализации задач расчета условий сопряжений деталей турбомашин
2.3. Математическая модель расчета упругопластического поведения материала деталей турбомашин
2.4. Применение численного итерационного метода для нелинейного анализа прочности роторных систем ГТД
2.5. Структура пакета прикладных программ и блок-схема алгоритма расчета НДС сборных конструкций роторов турбомашин с учетом истории нагружения
Выводы по главе
3. Численно-экспериментальное обоснование и проверка достоверности
расчетов упруго-пластического НДС сборных роторов турбомашин
3.1. Анализ точности сходимости численного решения упругой задачи МКЭ на примере диска постоянной толщины с центральным отверстием и диска турбины с нецентральным отверстием крепления
3.2. Анализ точности и сходимости для решения задачи расчета кон-
тактной жесткости сопряжения деталей и применяемого контакт-ного конечного элемента
3.3. Анализ точности и сходимости численного решения упругопластической задачи МКЭ на примере диска турбины реального профиля с нецентральными отверстиями крепления
3.4. Отработка цикла повторно-статического нагружения и кинетики пластического поведения на принципиальной конструкции сборного ротора ГТД в ходе нескольких циклов нагружения
Выводы по главе
4. Численный эксперимент на реальной сборной конструкции ротора турбины ГТД
4.1. Разработка конечноэлементной модели реальной конструкции сборного ротора ГТД
4.2 Решение упруго-пластической контактной задачи расчета НДС
сборного ротора турбины
4.2.1. НДС ротора на исходном режиме 1, определяемым условиями сборки конструкции ротора, без внешней нагрузки
4.2.2. НДС ротора на режиме 2 в условиях максимального рабочего нагружения
4.2.3. НДС ротора на режиме 3 (останова)
4.3. Отработка цикла повторно-статического нагружения и кинетики
пластического поведения сборной конструкции ротора на максимальном рабочем режиме нагружения сборного ротора ГТД
Выводы по главе
Заключение
Библиографический список
Приложение

Введение
В современных условиях развития роторных систем, применяемых как в авиации, так и в энергетических силовых установках, к ним предъявляются очень высокие требования по качеству, надежности и долговечности. В особенности это относится к роторным системам газотурбинных двигателей (ГТД), как к наиболее энергонасыщенным и конструктивно сложным механическим системам.
В этой ситуации предъявляются повышенные требования и к расчетным подходам, позволяющим проводить математическое моделирование роторов на высоком уровне достоверности и оценивать их работоспособность уже на ранних стадиях проектирования [87,88].
Современные роторные конструкции в большинстве своем являются сборными, поэтому наряду с конструкционной жесткостью отдельных деталей, составляющих ротор, имеет место жесткость контактная [1,23,24,36,98]. Эта жесткость представляет собой способность поверхностных слоев деталей, находящихся в контакте (сопряжении) с другими деталями, сопротивляться действию сил, стремящихся их деформировать. Действие этих сил определяется, как общей нагрузкой в роторе, так и условиями сопряжения поверхностей деталей, например: посадками с натягом, усилиями стягивания деталей при креплении и другими подобными конструктивно-силовыми факторами.
Традиционно прочностные расчеты сборных роторов основывались на моделировании и анализе отдельных деталей сборного ротора (валов, рабочих дисков и лопаток, и др.), где влияние других деталей на рассматриваемую аппроксимируется относительно определенных граничных условий и условий нагружения. Оценка работоспособности ротора в этом случае проводится по уровню работоспособности отдельных деталей. Тогда при аппроксимации свойств сопротивления деформируемой среды используется свойство только конструкционной жесткости отдельных деталей [13,37,48,51,69,78,90,102,118]. Величина этой жесткости может быть вычислена с высокой степенью точности
(2.24)

с тем отличительным условием, что интегрирование проводится по площади некоторой поверхности элемента, где приложен вектор внешней распределенной нагрузки - q.
Подстановка (2.21), (2.22), (2.23), (2.24) в выражение для полной потенциальной энергии механической деформируемой системы (2.2), дает

~{3}Т{Р} (2.25)
Реализуя принцип стационарности или минимизации величины П , по перемещению {5), имеем

Ш[вШв№ь- >- КОТЫ*- №г№Ы<я
=1 /[*]№<>- .ИЪК- ~{р}=о
с=| V' V' 5'
(2.26)
Первый интеграл под знаком суммы в выражении (2.26) определяет матрицу жесткости элемента [ке], коэффициенты которой физически представляют собой силу реакции от единичного перемещения в узлах элемента, в соответствующем координатном направлении.
Цг [ке]= Ь]г[£]даг
уе (2-27)
Матрица жесткости элемента является обратной к матрице податливости, используемой при реализации метода сил теории упругости.
Остальные члены уравнения (2.26) составляют вектор - столбец эквивалентных узловых сил элемента:
И=- ![#№„)*- Гмт{8}^-
<2-28>
Таким образом, глобальная матрица жесткости [ТС] и глобальный вектор—столбец узловых эквивалентных сил {Е} можно записать в виде сумм: