Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

проводится экспериментальное подтверждение локализации в корпусах двигателя фрагментов роторов. Так, одно из наиболее дорогостоящих испытаний - проверка локализации разрушения при обрыве вентиляторной лопатки. В виду высокой стоимости таких испытаний, они должны носить именно подтверждающий характер и быть предварительно смоделированы.

Такое моделирование возможно с применением метода конечных элементов. Следует отметить, что такое моделирование представляет собой трудоемкий процесс подготовки данных и проведения расчетов. Для решения задачи в такой постановке требуется знание свойств материалов во всем диапазоне скоростей деформаций, характерных для высоких скоростей деформации при соударении.

В качестве примера конечно-элементного анализа процесса удара приведем моделирование удара рабочей лопатки вентилятора в корпус (см. Рис. 14.6.5_2). Моделирование позволяет непосредственно найти траекторию движения оторвавшегося фрагмента лопатки, описать весь процесс соударения лопатки с корпусом, другими лопатками, оценить в рамках применяемых моделей возможность разрушения корпуса и выхода оторвавшегося фрагмента за пределы двигателя.

14.6.6 - Расчет элементов подвески

Подвеска двигателя (см. главу 4) в представляет собой пространственную стержневую систему, которая воспринимает вес и тягу двигателя, реактивные крутящие моменты на корпусах, инерционные силы и гироскопические моменты, вызванные перегрузками при эволюциях самолета и вследствие

атмосферной турбулентности. Элементы подвески также подвержены вибрационной нагрузке, передаваемой от работающего двигателя, и пиковым перегрузкам при жесткой посадке самолета. В этой связи для стержней подвески выполняют следующие расчеты прочности:

-на статическую прочность и циклическую долговечность. Этот вид расчетов выполняется для медленноменяющихся нагрузок, которые повторяются в каждом полете;

-расчет на несущую способность. Здесь учи- тывают предельно допустимые нагрузки, которые могут возникнуть в особых полетных ситуациях - например, при жесткой посадке;

-для тех стержней подвески, которые испытывают сжимающие усилия, выполняется расчет на устойчивость;

-оценка усталостной прочности; ее выполняют для динамических нагрузок, обусловленных вибрацией двигателя и турбулентными явлениями

âатмосфере и определяемых экспериментально. Величины действующих статических нагру-

зок определяются по допускаемым нормативными документами эксплуатационным перегрузкам для различных полетных случаев, таких как горизонтальный полет, посадка, «жесткая» посадка и т.д. Определение усилий в стержнях сводится к расче- ту методами статики в предположении, что в стержнях могут возникать только растягивающие или сжимающие усилия. Для обеспечения свободы тепловых расширений подвеску делают статически определимой, что существенно упрощает расчеты. Они сводятся к решению системы линейных алгебраических уравнений равновесия сил и момен-

Рисунок 14.6.6_1 - Проушина тяги подвески Напряжения в поперечном сечении проушины Зазор в проушине

1120

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

Рисунок 14.6.6_4 - Схема приложения нагрузки для расчета напряженного состояния проушины и конечно-элементная модель

тов относительно усилий в стержнях. Напряжения в каждом стержне определяются

в рамках простейшей модели растяжения делением полученной продольной силы на площадь поперечного сечения стержня. Наиболее нагруженными элементами стержней подвески являются проушины шарнирных соединений (см. Рис. 14.6.6_1), с помощью которых стержни соединяются с корпусами двигателя и пилоном самолета. Напряжение растяжения в проушине в простейшей постановке - в предположении одноосного напряженного состояния и без учета концентрации напряжений - определяются выражением:

, (14.6.6-1)

ãäå P - усилие в стержне;

F - площадь поперечного сечения проушины. При расчете по выражению (14.6.6-1) предполагается, что напряжения имеют равномерное распределение по сечению проушины. Такое допущение приемлемо при расчете на несущую способность. Когда величина нагрузки повышается до разрушающего значения, напряжения в сечении проушины почти выравниваются вследствие пластичности материала и их неравномерностью можно пренебречь. Для оценки запаса по несущей способности напряжения (14.6.6-1) сравнивают

с пределом прочности материала.

При действии нагрузки в штатных условиях полета распределение напряжений в проушине не-

Рисунок 14.6.6_5 - Напряжение в проушине

равномерно. Неравномерность распределения напряжений возникает вследствие изгибных деформаций проушины (см. Рис. 14.6.6_1). Изгибные деформации и напряжения будут более высокими, если между проушиной имеется повышенный зазор (см. Рис. 14.6.6_1), поскольку в этом случае изгиб проушины возрастает из-за увеличения изгибающего момента.

Наиболее полный учет особенностей геометрии проушин (сферических поверхностей, буртов и пр.) и контактного взаимодействия деталей под нагрузкой возможен при расчете методом конеч- ных элементов. На Рис. 14.6.6_4 показана геометрия и схема приложения нагрузки для расчета НДС проушины с втулкой и конечно-элементная модель. Результаты расчета напряжений в проушине тяги представлены на Рис. 14.6.6_5.

Максимальные напряжения, полученные с помощью конечно-элементного расчета, имеют место на внутренней сферической поверхности проушины и превышают среднее значение по (14.6.6-1) в два раза.

1121

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

14.7 - Англо-русский словарьминимум

allowable stress - допустимое напряжение amplitude - амплитуда

asymmetric - асимметричный bending - изгиб

boundary condition - граничное условие breakdown -поломка

compression - сжатие core - стержень crack - трещина

crack growth - рост трещины creep - ползучесть

cyclic - циклический damage - повреждение decrement -декремент defect - дефект

durability - долговечность dynamic - динамический elasticity -упругость environment -оболочка estimation -оценка

failure - поломка fatigue - усталость

fatigue limit - предел выносливости

finite element method (FEM) - метод конечных элементов

flaw - дефект

forced vibration - вынужденные колебания fracture - разрушение

free vibration - свободные колебания frequency - частота

life prediction - предсказание долговечности loading - нагружение

low cycle fatigue - малоцикловая усталость natural vibration mode - собственная форма колебаний

operating load - действующая нагрузка oscillation - колебания

overload - перегрузка plasticity - пластичность pressure - давление random - случайное reliability - надежность

residual stress - остаточное напряжение resonance - резонанс

scale factor - масштабный фактор self-excited vibration - автоколебания specimen - образец

static - статический strain - деформация strength - прочность

strengthened - упрочненный stress - напряжение

stress concentration - концентрация напряжений stress history - история нагружения

stress intensity factor - коэффициент интенсивности напряжений

structural analyses - прочностной расчет survivability - живучесть

tension - растяжение test - испытание

three-dimensional - трехмерный torsion - кручение

ultimate load - разрушающая нагрузка vibration - вибрация, колебания

14.8 – Перечень использованной литературы

14.8.1.Биргер И.А. , Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1986. 560 с.

14.8.2.Биргер И.А., Шорр Б.Ф. Термопрочность деталей машин. - М.: Машиностроение, 1975г. – 454 с.

14.8.3.Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Рас- чет на прочность деталей машин. - М.: Машиностроение, 1979г. – 702 с.

14.8.4.Вибрации в технике, т.1. Под ред. Болотина В.В. - М.: Машиностроение, 1978, 352 с.

14.8.5.Вибрации в технике, т.3. Под ред. Димтенберга Ф.М. - М.: Машиностроение, 1980

14.8.6.Вибрации в технике, т.6. Под ред. Фролова К.В. - М.: Машиностроение, 1981, 456 с.

14.8.7.Демьянушко И.В., Биргер И.А. Расчет на прочность вращающихся дисков, 1978г. – 247с.

14.8.8.Зальцман М.М. Прочность и колебания элементов конструкций ГТД. Конспект лекций под ред. Пыхтина Ю.А. - Редакционно-издательский отдел ППИ, Пермь, 1973, 236 с.

14.8.9.Зенкевич О.К., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. - М.: Недра, 1974г. – 238 с.

14.8.10.Зенкевич О. Метод конечных элементов в - технике. - М.: Мир, 1975.

14.8.11.Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. - М.:Мир, 1984, 624 с.

14.8.12.Котеров Н.И., Даревский В.М., Никулин М.В., Гой В.Ф. Методы расчета на прочность корпусов, оболочек, направляющих и сопловых аппаратов газотурбинного двигателя. Отв. ред. Биргер И.А. Труды ЦИАМ ¹769, М., ЦИАМ, 1977, 344 с.

14.8.13.Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.К. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1991.

14.8.14.Малинин Н.Н. Прикладная теория пластич-

1122

Глава 14 - Динамика и прочность ГТД

ности и ползучести.-М.:Машиностроение. 1968, 400с.

14.8.15.Научный вклад в создание авиационных двигателей. Т.1. Под ред. В.А.Скибина и В.И. Солонина. - М.:Машиностроение. 2000. 725 с.

14.8.16.Нестационарные явления в турбомашинах /Августинович В.Г., Иноземцев А.А, Шмотин Ю.Н. и др. - Екатеринбург, УРО РАН, 1999.

14.8.17.Новиков Д.К. Проектирование гидродинамических демпферов опор роторов двигателей летательных аппаратов. Самара, Издательсьво Самарского научного центра РАН, 2000, 164 с.

14.8.18.Норри Д., деФриз Ж. Введение в метод конечных элементов. - М.: Мир, 1981г. – 303 с.

14.8.19.Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. - М.: Мир, 1977г. –301ñ.

14.8.20.Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев, Наукова Думка, 1975.

14.8.21.Поновко Я.Г. Механика деформируемого твердого тела: современные концепции, ошибки и парадоксы. - М.: Наука, 1985. 288 с.

14.8.22.Рабинович В.П. Прочность турбинных дисков, 1966г. – 146с.

14.8.23.Сергеев С.И. Демпфирование механических колебаний. - М.: Физматгиз, 1959, 408 с.

14.8.24.Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1981г. – 550 с.

14.8.25.Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975, 576 с.

14.8.26.Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. - М.: Машиностроение, 1985, 472 с.

14.8.27.Трощенко В.Т., Покровский В.В., Прокопенко А.В. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении. - Киев, Наукова Думка, 1987, 252 с.

14.8.28.Хронин Д.В. Колебания в двигателях летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1980, 296с.

14.8.29.Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. Уфа, Монография, 2003, 803 с.

14.8.30.Дорошко С.М. Контроль и диагностирование технического состояния газотурбинных двигателей по вибрационным параметрам.- М.: Транспорт, 1984.–128 ñ.

1123