CC BY
192009
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Математика. Механика. Информатика Вып.7(зз)
УДК 534.870
Геометрическое моделирование вертолетной лопасти в среде ANSYS
Н. И. Симакина, Е. А. Синицын
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Приводится механизм геометрического моделирования в среде ANSYS сложных областей, таких как вертолетная лопасть. Предложена методика и типы конечных элементов.
Введение
В настоящее время на большинстве предприятий самолетостроения идет переоснащение материальной базы, делаются шаги в направлении автоматизации процесса конструирования с использованием современных методик расчета на основе применения информационных технологий. Такое стремление к компьютеризации проводимых исследований приобретает все большие обороты ввиду президентской программы по возрождению отечественной авиации.
Одной их актуальных проблем стала нехватка методов построения модели лопасти и ее расчета в современных программных продуктах, таких как Л№У8.
1. Постановка задачи
Лопасть имеет форму капли, оптимальную по аэродинамическим свойствам, с профилем КАСЛ - 230, скрутка 6о. Внутренняя структура неоднородна. Основной материал -стеклопластик. Центровочный груз выполняется из свинца. Полые области внутри лопасти заполнены монтажной пеной. Ниже представлен вид рассматриваемой лопасти (рис. 1).
Рис. 1. Вид лопасти сверху
По всей длине лопасти можно выделить 3 сечения лопасти, которые имеют различный профиль и форму лонжерона. Обозначим их как области А, Б и В. Ниже приведены сечения лопасти и формы лонжерона для каждой из областей.
г /
1
Рис. 2. Сечение области А
Рис. 3. Сечение области Б
© Н. И. Симакина, Е. А. Синицын, 2009
Геометрическое моделирование вертолетной лопасти в среде ANSYS
Рис. 4. Форма лонжерона области Б
f / ♦
'—-—1
Рис. 5. Сечение области В
Рис. б. Форма лонжерона области В
На рис.7 показано распределение материалов по исследуемой лопасти.
[руз
Рис. 7. Распределение материалов по лопасти
2. Моделирование в среде ANSYS
Прежде всего стоит отметить, что при построении модели не учитываются центровочный груз и стрингер (рис. 8).
Рис. 8. Моделируемая лопасть
Проанализировав геометрию лопасти, можно предложить несколько различных вариантов построения модели в среде ANSYS, но принципиальное отличие имеют 2 модели.
Первый предложенный вариант предполагает использование только одного типа элемента, а именно Solid (номер не уточняется, так как принципиальным является его сущность как сплошного SD-элемента). Но модель, построенная только на solid-элементах, показала себя несостоявшейся, поскольку толщины оболочки лопасти и стенок лонжерона достаточно малы (до 5 мм), что сильно сказывается на сложности построения геометрической модели в среде ANSYS. А также существенна потеря точности полученных результатов при достаточно малой толщине элемента solid [1, 2, 4].
Вторая модель предлагает использование нескольких типов конечных элементов.
Для моделирования области, заполненной пеной, используем элемент Solid 186. Данный элемент является трехмерным квадратичным элементом с 20 узлами и имеет 3 степени свободы - перемещения в направлении осей X, Y, Z. Наличие 20 узлов дает наиболее точные результаты [5]. Также большим плюсом является то, что Solid 186 имеет квадратичное представление перемещений и в состоянии использовать нерегулярную форму сетки, которую могут иметь модели, импортируемые из CAD - систем [3]. Более подробная информация по элементу Solid 186 содержится в справочном руководстве ANSYS [6].
Для оболочки применяется элемент с расширением Shell с порядковым номером 99. Элемент имеет 8 узлов и 6 степеней свободы -перемещения в направлении осей X, Y, Z и повороты вокруг осей X, Y, Z. Выбор в пользу shell 99 объясняется тем, что он является многослойной оболочкой. Элемент позволяет применять до 250 слоев. Элемент рекомендуется применять для расчета НДС многослойных оболочек [6].
После того как было дано краткое объяснение причин выбора соответствующих элементов, можно приступать к описанию метода моделирования лопасти.
Наибольший интерес при построении модели представляет область лонжерона, так как к лонжерону вплотную примыкает стеклопластиковая оболочка. Возникает вопрос:
Н. И. Симакина, Е. А. Синицын
"Как строить в среде ANSYS переход от лонжерона к оболочке с учетом того, что в верхней и нижней частях толщина лонжерона составляет 5 мм ?" Для решения проблемы применяется следующая техника. Лонжерон разбивается на две части, причем левая его составляющая будет представляться сплошным solid элементом, а верхняя и нижняя его части будут состоять из многослойного оболочечно-го элемента. Где первый слой - это слой оболочки толщиной 1 мм, а второй - это оставшаяся часть лонжерона (рис. 9).
Внешняя об Л 04 к л
Рис. 9. Многослойная оболочка
Правая же стенка моделируется как однослойная оболочка толщиной 5 мм. На рис. 10 представлено распределение элементов на модели ANSYS.
ашкмш ШШ мм
HULL
НИ 11
Рис. 10. Распределение элементов в сечении
Соответственно исходя из понятий среды ANSYS Solid-элементы применяются к объемам (Volume), а Shell-элементы - к площадям (Area).
Вторая модель исключает все недостатки первого варианта геометрического моделирования и имеет большой плюс - сравнительную легкость построения.
Заключение
В результате в среде ANSYS была построена геометрическая модель вертолетной
лопасти со сложной геометрией, имеющей 3 формы профиля лопасти и 2 формы геометрии лонжерона, с неоднородным распределение материалов (рис. 11).
Рис. 11. Построенная лопасть в среде ANSYS
При моделировании геометрии лопасти
учитывался анализ выбора типов конечных
элементов.
Список литературы
1. Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ. пособие / А.В.Чигарев, А.С.Кравчюк, А.Ф.Смалюк. М: Машиностроение^, 2004. 512 с.
2. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера / А.Б.Каплун, Е.М.Морозов, М.А.Олферьев. М: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.
3. Огородникова О.М. Введение в компьютерный конструкционный анализ / О.М.Огородникова. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 47 с.
4. Фиалко С.Ю. Сопоставление прямых и итерационных методов решения больших конечно-элементных задач строительной механики / С.Ю.Фиалко // Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. Киев: Сталь, 2002. С.552-569.
5. Kovalovs A. Active Twist of model rotor blades with D-spar design / A.Kovalovs, E.Barkanov, S.Gluhihs. Magazine: Transport, 2007-1. P.38-44.
6. Справочное руководство пакета ANSYS.
Geometrical modelling of the helicopter blade in ANSYS
Н. H. CuMaKUHa, E. A. Cuhu^ih
N. I. Simakina, E. A. Sinitsyn
Perm State University, 614990, Perm, Bukireva st., 15
In job the mechanism of geometrical modelling in the environment of ANSYS difficult areas, such as the helicopter blade is resulted. The technique and types of final elements is offered.
