Введение к работе
Актуальность темы исследования. Лопатки и другие детали турбомашин работают в тяжелых условиях не только от переменных механических нагрузок, но и под действием высокой температуры и нестационарных режимов нагружения. В конечном итоге множество деталей прекрасно выполняют свои функции в начальный период эксплуатации, но затем часто разрушаются по усталостным причинам.
Уже давно задача численного анализа несущей способности и усталостной прочности деталей машин вызывала особенный интерес значительного количества ученых, которые предлагали различные алгоритмы, численные методы и методики. Наиболее известны из них: Биргер И. А., Богуслаев В. А., Когаев В. П., Гусенков А.П., Демьянушко И. В., Джамай В. В., Дульнев Р. А., Карпинос Б. С, Колотников М. Е., Кравчук Л. В., Кузнецов А.А., Кузнецов Н. Д., Махутов Н. А., Петухов А. Н., Репецкий О. В., Селифо-нова Л. П., Семенов Г.Р., Серенсен С. В., Скубачевский Г. С, Третьяченко Г.Н., Bahree R., Chawla A., Halford G. R., Hohlrieder M., Irretier H., Manson S. S., Pathak A., Rao J. S., Samira В., Sharan A. M., Vyas N.S., Yasmina А. и другие.
На практике существует много работ, в которых отдельно рассмотрены задачи несущей способности, динамики и усталостной прочности деталей турбомашин. Но имеется ограниченное количество научных трудов, в которых комплексно исследована проблема численного анализа статического напряженно-деформированного состояния (НДС), свободных колебаний, динамических напряжений и прогнозирования усталостной прочности деталей турбомашин с учетом влияния эксплуатационных факторов.
Экспериментальные исследования усталостной долговечности лопаток и других деталей турбомашин крайне затруднены не только из-за высоких температур, давления и вращения роторов во время работы, но и из-за высокой стоимости эксперимента. При этом и расчетная оценка усталостной долговечности деталей турбомашин является сложной задачей. Для решения этой проблемы должны быть разработаны эффективные численные методы и компьютерные программы. На сегодняшний день появилось много коммерческих промышленных программ, таких, как ANSYS, NASTRAN, MSC.Fatigue, Fastran II, nCode и др. Однако они не всегда позволяют определить динамический отклик конструкций при прерывистом, нестационарном действии газовых нагрузок, которые характерны для лопаток турбомашин. Кроме этого, в них ограничено использование гипотез накопления усталостных повреждений, применение которых зависит от конкретной задачи и вида материала исследуемой конструкции.
Таким образом, разработка математических алгоритмов, численных методов и программ расчета, которые позволяют определить динамические напряжения и усталостную прочность лопаток и других деталей турбомашин на реальных режимах работы еще на стадии проектирования, а также обеспечить надежность и работоспособность этих деталей в эксплуатации, является актуальной технической проблемой современности.
Целью диссертационной работы является разработка эффективных алгоритмов, численных методов и программного обеспечения для прогнозирования долговечности лопаток и других деталей турбомашин с учетом реальных режимов работы на основе линейных гипотез накопления повреждений и метода конечных элементов (МКЭ).
Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
1. Исследование видов повреждения конструкционных элементов турбомашин в условиях действия термомеханических нагрузок с целью анализа влияния нестационарных силовых и температурных режимов нагружения на вид разрушения. Обоснование
выбора численных методов определения долговечности.
Разработка методик для оценки усталостной долговечности лопаток и других деталей турбомашин при реальной эксплуатационной нагруженности на основе различных линейных гипотез накопления усталостных повреждений и МКЭ.
Математическое моделирование статического и динамического НДС лопаток и других деталей турбомашин с учетом влияния температуры и вращения в соответствии с их реальными режимами работы.
Проведение анализа и выбор эффективных методов расчета динамических напряжений и алгоритмов схематизации случайных процессов нагружения для оценки усталостной прочности деталей турбомашин при использовании метода конечных элементов (МКЭ).
Разработка эффективных численных методов и алгоритмов и их реализация в виде комплексов программ для проведения вычислительного эксперимента динамики и усталостной долговечности лопаток и других деталей турбомашин на стадии проектирования.
Методы исследования. В качестве базового метода исследований выбран метод конечных элементов. В диссертационной работе также использованы методы и алгоритмы теории упругости, механики деформируемого твердого тела, теории колебаний и др. Для определения выносливости деталей турбомашин применялись линейные гипотезы накопления усталостных повреждений. Схематизация динамических напряжений выполнена с помощью модифицированного метода «дождя». Для проведения численного эксперимента разработаны и использовались комплексы программ BLADIS+ и DAFLAPS, созданные на алгоритмическом языке Fortran.
Достоверность результатов. Достоверность полученных численных результатов подтверждена сравнением с данными других авторов, с результатами аналитических решений и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана и реализована в виде комплекса проблемно-ориентированных программ эффективная уточненная методика расчета динамических напряжений и усталостной прочности деталей турбомашин, работающая во временной и частотной областях анализа на основе метода конечных элементов и линейных гипотез накопления усталостных повреждений.
Разработаны численные методы и программное обеспечение для учета геометрической нелинейности в прочностных задачах, отличающиеся тем, что матрица геометрической жесткости включает в себя не только начальные напряжения от влияния центробежных сил, но и напряжения от неравномерного нагрева. Выполнен численный анализ статических и динамических напряжений деталей турбомашин без учета и с учетом влияния геометрической нелинейности.
Разработан новый алгоритм, реализованный в виде комплекса программ для схематизации случайных процессов нагружения и графической интерпретации результатов расчета при анализе усталостной прочности.
Выполнены комплексные исследования статического напряженно-деформированного состояния, собственных колебаний, динамических напряжений и усталостной прочности лопаток турбомашин с учетом влияния эксплуатационных факторов с применением математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Выявлены новые закономерности формирования динамических напряжений конструкций. Сформулированы рекомендации по повышению усталостной прочности лопаток турбомашин на стадии проектирования.
Практическая значимость работы.
Создано математическое и программное обеспечение для расчета лопаток турбомашин под действием нестационарных термомеханических нагрузок, которые могут применяться для большинства задач вычислительного анализа динамики и выносливости элементов машин и конструкций, работающих в условиях нестационарных силовых и температурных полей. Это позволяет сократить временные и материальные затраты на доводку изделий при проектировании.
Установлены закономерности влияния температуры и вращения на выносливость лопаток турбомашин, что позволяет обеспечить оптимальное проектирование лопаток и других деталей турбомашин с повышенной усталостной прочности уже на стадии проектирования конструкций.
Исследована долговечность вращающихся лопаток турбомашин, находящихся под действием силовой вибрации с учетом влияния демпфирования, охлаждающего воздуха и других факторов.
Предложены рекомендации по увеличению долговечности лопаток турбомашин для проектирования и изготовления конструкций повышенной надежности.
Результаты, полученные в работе, использовались при выполнении НИР в Иркутском научно-исследовательском и конструкторском институте химического и нефтяного машиностроения ОАО «Иркутск НИИ ХимМаш», г. Иркутск, а также в учебном процессе кафедры «Мехатроника» Иркутского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и национальных конгрессах и конференциях, таких, как IFToMM «International symposium on robotics and mechatronics» (Hanoi, 2009), ACMSM 21 «21st Australian Conference on the Mechanics of Structures and Materials» (Melbourne, 2010) и др.
Проводились обсуждения на конференциях и семинарах кафедры «Мехатроника» Иркутского государственного технического университета; кафедры «Информатика и кибернетика» Байкальского государственного университета экономики и права; на научном семинаре ОАО «Иркутск НИИ ХимМаш» и др.
Сведения о публикациях. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 6 публикациях из списка ВАК и 2-х свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения, списка литературы из 175 наименований. Общий объем диссертации составляет 224 страницы, включая 84 рисунка, 21 таблицу и 3 страницы приложения.
