CC BY
100
НАУЧНО]! ИЗДУШИЕ ЖГУ ИМ. Н. Э. БАУУМНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211 Госудаястввнаая №042 12)555. 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Расчетно-экспериментальное исследование динамического воздействия кусков льда на пластину-имитатор пера рабочей лопатки осевого компрессора авиационного двигателя # 06, июнь 2014
Б01: 10.7463/0614.0716936 Шорр Б. Ф., Мацаренко В. С.
УДК 621.452.3:539.4
Россия, ФГУП "ЦИУМ им. ПИ. Баранова"
shorr@ciam.ru зегеЬгуакоу 'а ааш .ги
Введение
В процессе эксплуатации авиационного двигателя в его открытую проточную часть возможно попадание кусков льда и градин различного размера. Попадающий в проточную часть двигателя лёд может иметь как внешнее происхождение (град), так и внутреннее (куски льда, образующиеся вследствие обледенения элементов конструкции самого двигателя). Это может привести к повреждениям деталей и узлов, а также к изменению газодинамических характеристик и потере тяги двигателя.
В исследовании динамического воздействия льда на элементы конструкций можно выделить два аспекта:
1. Характер и параметры разрушение самого льда различного происхождения. Исследования в этом направлении рассматривают поведение ледяных полей под нагрузкой и льдин при столкновении с препятствиями, параметры разрушения ледяных образцов при ударном нагружении. Имеется много работ, относящихся к процессам разрушения массивных ледяных полей при малых скоростях нагружения, когда лед ведет себя как достаточно пластичное тело при наличии ползучести [1,2]. Применительно к проблеме обеспечения безопасности космических аппаратов исследовались характеристики льда при больших скоростях нагружения [3,4].
2. Параметры повреждения или разрушения элементов конструкции. Исследования в этом направлении, прежде всего, ставят своей целью прогнозирование величины повреждения конструкции при взаимодействии со льдом.
В настоящей работе рассматривается второй аспект динамического взаимодействия льда с элементами конструкций. В ЦИУМ им. П.И.Ааранова Н.В. Горячевым и В.Г. Жу-
линым при участии авторов были проведены экспериментальные «стрельбы» кусками льда заданных размеров при контролируемой скорости по мишени-имитатору входной кромки лопатки компрессора. Размеры кусков льда выбирались по результатам испытаний входных устройств двигателей в условиях обледенения.
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных при ударе кусков льда было выполнено путем сравнения с результатами соответствующих расчетов, проведенных в программных пакетах ANSYS и LS-DYNA.
1. Физико-механические характеристики льда при ударном взаимодействии с другими телами
Для математического моделирования повреждений рабочих лопаток компрессора при попадании в двигатель кусков льда необходимо иметь сведения о характере разрушения частиц самого льда при ударном воздействии с более твердыми телами.
Характер повреждений лопаток от удара градин зависит от целого ряда факторов, характеризующих свойства льда, в том числе, от модулей упругости и сдвига, предела прочности и относительной деформации при разрушении сжатием, а также от давления, при котором происходит раскрашивание льда. Физико-механические характеристики льда приведены в указанных выше работах [1-4], а их анализ применительно к динамическим процессам - в работе [5].
Для описания динамического поведения льда при ударе с учетом изложенных выше требований был рассмотрен ряд моделей материалов, имеющихся в программных пакетах ANSYS и LS-DYNA [6].
В процессе исследования использовались две модели льда: «хрупкого» и «пластичного», различающиеся величиной предела текучести материала.
Вначале были проведены расчеты для упругого материала, а затем на основании результатов серии проведенных предварительных расчетов был выбран изотропный упру-гопластический материал с моделью разрушения по двум критериям:
а) при достижении интенсивности пластической деформации предельного значения происходит сдвиговое разрушение;
б) при достижении среднего растягивающего напряжения предельного значения происходит разрывное разрушение. Последний вид модели разрушения трактуется в некоторых программных комплексах как разрушение от отрицательного давления [6] или от разрыхления материала.
Элемент исключается из модели льда при достижении любого из условий разрушения, после чего расчет ударного процесса продолжается.
В табл. 1 приведены принятые свойства модели «пластичного» льда и их численные значения, которые были использованы в последующих расчетах. Указанные значения близки к осредненным данным, приводимым в литературе для различных условий испытаний.
Параметр модели Значение параметра
р - массовая плотность, кг/м3 910
0 - модуль сдвига, МПа 3600
(2 - условный предел текучести, МПа 10.3
Е р - модуль пластического упрочнения, МПа 99
К - объемный модуль упругости, МПа 9900
8 - относительная деформация при пластическом разрушении, % 3.5
(Г - среднее растягивающее напряжение при разрывном разрушении, МПа 10
Напряжения и деформации в кусках льда непосредственно перед моментом разрушения, которые зависели от принятых изменяемых параметров физико-механической модели материала, определялись расчетным путем по 3D конечно-элементной модели куска льда.
2. Условия проведения эксперимента
В ходе эксперимента производилась стрельба ледяными брусками по пластине-имитатору из пневматической пушки. В процессе каждого испытания фиксировались следующие параметры:
- давление в ресивере;
- размеры ледяного бруска;
- угол установки металлической пластины;
- масса ледяного бруска;
- скорость ледяного бруска.
Размеры ледяных брусков, выбранные исходя из анализа имеющихся данных полученных в ходе испытаний на обледенение, приведены в табл. 2.
Имитатором служила металлическая пластина толщиной 2 мм из высокопластичной Стали 3. Передняя кромка пластины, по которой производился удар, имела заострение с углом ~20о на глубину 5 мм. Пластина закреплялась в оснастке в вертикальном положении при помощи двух болтов, вставленных в отверстия на краях пластины.
В процессе испытаний производилась скоростная киносъемка движения куска льда перед ударом, во время удара и после него.
Параметры и результаты проведенных испытаний представлены в табл. 2.
№ Давление в ресивере, кПа Размеры бруска, мм Размеры пластины, мм Скорость полета бруска, м/с Угол установки Деформация пластины
1 1000 100-70-21 300-70-2 300 20о пластину вырвало из креплений
2 1000 100-70-21 300-70-2 280 10о пластину деформировало
3 1000 50-70-21 300-70-2 270 10о пластину деформировало
3. Результаты эксперимента
На рис. 1 приведены некоторые последовательные кадры скоростной киносъемки одного из экспериментов, из которых можно получить представление о характере разрушения бруска льда на разных стадиях удара. Пластина расположена вертикально, под заданным углом к направлению движения бруска льда. Более светлый край пластины относится к передней заостренной кромке, по которой производится удар. На кадре а) показан момент начального взаимодействия ледяного бруска с металлической пластиной. Более светлая область на бруске соответствует зоне распространения по льду возникших при ударе трещин. На кадре б) показан момент, когда зона трещин достигает заднего края бруска льда. Вверх и вниз разлетается ледяная крошка, выброшенная из зоны соударения. Заметна деформация пластины. На кадре в) показан момент, когда кромка пластина достигает заднего края бруска льда. Весь массив льда разделяется пластиной на две части, каждая из которых представляет собой облако мелких кусков и ледяной крошки. Как видно, брусок льда покрывается многочисленными трещинами уже в начале взаимодействия с пластиной. Это приводит к полному разрушению бруска на мелкие фрагменты даже в областях, непосредственно не контактирующих с пластиной.
На рис. 2 приведены фотографии повреждения пластины после выстрела при скорости удара 270 м/с и угле установки пластины 10о ( эксперимент 3 таблицы 1). На первых двух фотографиях представлен общий вид пластины с двух сторон. Видны отверстия, предназначенные для закрепления пластины в оснастке с помощью болтов. Светлый край пластины соответствует заостренной передней кромке. На последующих фотографиях показана область удара в двух ракурсах: вид сбоку и вид по направлению удара. Повреждение пластины представляет собой плавный отгиб передней кромки без возникновения трещин, разрывов или забоин.
Размеры отгиба передней кромки пластины составили:
- по глубине (из плоскости пластины) 28 мм,
- по длине передней кромки 40 мм.
Трещин на заостренной кромке обнаружено не было.
Рис. 2. Общий вид пластины с повреждением кромки
4. Расчетное моделирование удара кусков льда
Расчетное моделирование проводилось с использованием программных комплексов ANSYS и LS-DYNA.
Материал пластины - Сталь 3 со следующими характеристиками:
- предел текучести <г02 =245МПа,
- предел прочности <ув = 450 МПа,
- относительное удлинение при растяжении 8 = 26 %
- модуль упругости Е = 213 ГПа,
- плотность р = 7800 кг/м .
Для описания поведения стали была принята модель билинейного упругопластично-го материала, разрушающегося при достижении пластической деформацией своего предельного значения.
Граничные условия задавались посредством закрепления пластины в зоне отверстий под болты по всем направлениям. В первых расчетах использовалась модель «пластичного» льда.
На рис. 3 показаны расчетное положение куска льда перед ударом по заостренной входной кромке пластины при угле установки пластины 10о и использованная конечно-элементная сетка куска льда и пластины.
На рис. 4 показан расчетный процесс разрезания куска льда кромкой пластины, имитирующий экспериментальную картину удара примерно на тех же стадиях, что и на рис.1 . На рис. 5 хорошо видна деформация пластины после окончания удара в виде плавного отгиба входной кромки. На рис.5а представлен вид пластины по направлению удара, на рис.5б - вид сверху.
Брусок льда разрезается на две части, которые продолжают движение вдоль пластины без дальнейшего разрушения. Кромка пластины деформируется достаточно плавно, без надрывов. Максимальные деформации на кромке достигают при этом значения относительного удлинения при растяжении. Расчетные размеры прогиба: максимальная глубина 16 мм, протяженность вдоль кромки 33 мм.
Рис. 3. Конечно-элементная модель пластины и куска льда
а б в
Рис. 4. Взаимодействие куска «пластичного» льда и пластины в процессе удара
а б
Рис. 5. Деформация пластины в случае «пластичного» льда
Экспериментальные данные [1-4] показывают, что с возрастанием скорости удара разрушение льда приобретает все более хрупкий характер. Низкие температуры, соответствующие высотам полета, также способствуют разрушению льда, как хрупкого материала. Для имитации соответствующего характера разрушения была проведена серия расчетов с увеличенным на порядок условным пределом текучести льда. Это привело к тому, что материал бруска разрушался от разрывов раньше, чем в нем возникали значительные пластические деформации.
На рис. 6 для тех же условий испытания (скорость удара 270 м/с и угол установки пластины 10о) приведена картина процесса разрезания бруска «хрупкого» льда кромкой пластины по мере продвижения бруска при ударе. На рис. 7 виден характер расчетного повреждения пластины после окончания удара при тех же видах пластины, что и на рис.5.
Кусок хрупкого льда не только раскалывается на две части, но при этом сильно растрескивается, а затем рассыпается на мелкие фрагменты. Кромка пластины при отгибе получает небольшие надрывы. Расчетные размеры прогиба кромки пластины: максимальная глубина 18 мм, протяженность вдоль кромки 37 мм.
а б
Рис. 7. Деформация пластины в случае «хрупкого» льда
5. Сопоставление результатов численного моделирования с данными
экспериментов
Сравнение расчетных результатов с данными соответствующих экспериментов показало, что качественно характер повреждения пластины из Стали 3 достаточно адекватно воспроизводится при использовании в качестве материала ударяющего куска льда модели «пластичного» льда. Расчет удара с использованием модели более жесткого «хрупкого» льда дает размеры отгиба кромки пластины, более близкие к экспериментальным. Но при этом происходят надрывы кромки, которые в эксперименте не наблюдались.
По характеру разрушения кусков льда в результате столкновения с заостренной кромкой пластины лучшее качественное совпадение с экспериментальной картиной пока-
зывает модель «хрупкого» льда, согласно которой кусок льда разваливается на много мелких частиц.
Проведенные дополнительные расчеты для материала со средним значением условного предела текучести льда приводят к картине разрушения льда при ударе, приближающемся к экспериментальным.
Несколько заниженные расчетные размеры отгиба входной кромки пластины могли быть вызваны различием между механическими свойствами материала испытанной пластины и параметрами, заложенными в расчетную модель. Фактические механические свойства материала пластины, которые могли бы повлиять на результаты расчетов, к сожалению, не удалось определить.
Среди испытаний с другими начальными условиями следует выделить вариант прямого удара по кромке. При угле установки пластины-имитатора а=0, брусок льда разрезался на две половины, пластических деформаций кромки пластины не наблюдалось. Аналогичный результат был получен и при численном моделировании данного испытания с использованием обеих моделей льда.
Заключение
Проведенные испытания со стрельбой кусками льда из пневматической пушки по заостренному краю пластины-мишени, имитирующему входную кромку лопатки вентилятора, и сопоставление данных испытаний с результатами расчетного моделирования ударного процесса при использовании различных моделей льда показали:
1. Расчеты удара бруска льда при использованных характеристиках материала по заостренному краю пластины-мишени, имитирующему входную кромку лопатки вентилятора, дают правильную качественную картину повреждения пластины и разрушения куска льда.
2. Модель «хрупкого» льда отражает характер разрушения куска льда при ударе в виде образования многочисленных трещин и раскалывания куска на мелкие частицы, что наблюдается экспериментально, в то время как модель «пластичного» льда показывает разрез куска на две крупные части без растрескивания.
3. Обе модели льда показали несколько заниженные размеры отгиба передней кромки пластины из материала Сталь 3 при угле установки пластины 10о, что могло быть вызвано различиями между механическими свойствами материала исследованной пластины и параметрами, заложенными в расчетную модель.
4. Эксперименты и расчеты указывают на большое влияние величины угла между направлением полета льда и плоскостью пластины-мишени с заостренной кромкой на последствия удара: с увеличением угла повреждение пластины значительно усиливается.
5. Полученные результаты дают основание использовать расчетное моделирование для предварительного анализа возможных последствий удара кусков льда по кромке пера рабочей лопатки осевого компрессора авиационного двигателя.
Список литературы
1. Физика и механика льда: пер. с англ. / под ред. П. Трюде. М.: Мир, 1983. 352 с. [Physics and Mechanics of Ice. Symposium Copenhagen, August 6-10, 1979, Technical University of Denmark / P. Tryde, ed. Springer Berlin Heidelberg, 1980. DOI: 10.1007/9783-642-81434-1 ].
2. Лобанов В.А. Моделирование льда в задачах с конечно-элементной постановкой // Дифференциальные уравнения и процессы управления. Электрон. журн. 2008. № 4. Режим доступа: http://www.math.spbu.m/difflournal/RU/numbers/2008.4/article.1.2.html (дата обращения 20.01.2014).
3. Fasanella E.L., Boitnott R.L., Kollas S. Dynamic Crush Characterization of Ice. NASA/TM-2006-214278, 2006.
4. Carney K.S., Benson D.J., Bois P.D., Lee R. A high strain rate model with failure for ice in LS-DYNE // Proc. of 9th International LS-DYNE Users Conference (Dearborn, MI USA, June 4-6, 2006). 2006. P. 15-1 - 15-16.
5. Мельникова Г.В., Мацаренко В.С., Серебряков Н.Н. Математическое моделирование повреждений рабочих лопаток вентиляторов при попадании льда // Труды ЦИАМ № 1344: Современные методы обеспечения прочностной надежности деталей авиационных двигателей. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. С. 107-118.
6. LS-DYNA. Keyword user's manual. Volume II. Material models. Version 971 R6.1.0. Liv-ermore Software Technology Corporation (LSTC), 2012.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Сomputational and experimental researches of ice pieces impact
against a plate-imitator of a blade airfoil of an aircraft engine axial
compressor
# 06, June 2014
DOI: 10.7463/0614.0716936
B.F. Shorr, V.S. Matsarenko
Central Institute of Aviation Motors named after PI Baranova, 111116, Moscow, Russian Federation shorr ^ ciam.ru serebrvakov ff ciam.ru
Ingestion of hailstones and shedding ice in operating aircraft engine can lead to damage of compressor rotating blades, as well as to change of gas-dynamic characteristics, and loss of engine thrust.
The paper presents a computational and experimental study results of an ice impact against a thin edge of the steel plate, which simulates a compressor blade.
Impacts of the ice bricks against the plate with a velocity corresponding to the circumference rate of blades rotation were realized by the pneumatic gunshots. The trials were carried out under various angles attack between the direction of the ice flight and the plate plane. The experiments has shown that on impact the ice brick is covered by numerous cracks and collapsed just at the very beginning of the interaction with a plate. Thus, a leading edge of the plate has a smoothly bending form without appearing cracks.
For modeling the ice an isotropic elastoplastic material was chosen. Its failure was based on shear and rupture criteria. Two models of ice with different size of the yield point were used.
The test results and their comparison with the numerical ones have shown the following:
1. Calculations of brick impact against a thin edge of the plate-imitator with accepted ice characteristics yield a correct qualitative picture of the plate damage, but lead to some undersizes of its leading edge bending.
2. The ice design model with a larger yield point well reflects a character of the ice brick impact destruction as a formation of numerous cracks in it and splitting the piece into small particles, which was observed in the experiments. The model with smaller yield point shows the ice brick cutting into two parts without cracking.
3. The plate damage considerably increases with increasing ice brick attack angle. Under a direct impact against the plate edge, the ice brick is cut into two halves, with no plastic deformations of the plate observed.
4. Available results give the grounds to use numerical simulation for the analysis of consequences of the ice brick impact against the rapidly rotating blades of the aircraft engine compressor.
Publications with keywords: impact, ice, fan blade, foreign objects hit, damage Publications with words: impact, ice, fan blade, foreign objects hit, damage
References
1. Tryde P., ed. Physics and Mechanics of Ice. Symposium Copenhagen, August 6-10, 1979, Technical University of Denmark. Springer Berlin Heidelberg, 1980. DOI: 10.1007/978-3642-81434-1 (Russ. ed.: Tryde P., ed. Fizika i mekhanika l'da. Moscow, Mir Publ., 1983. 352 p.).
2. Lobanov V.A. [Ice modeling for finite element formulation problems]. Differentsial'nye uravneniia i protsessy upravleniia - Differential Equations and Control Processes, 2008, no. 4. Available at: http://www.math.spbu.ru/diffjournal/EN/numbers/2008.4/article.1.2.html , accessed 20.01.2014. (in Russian).
3. Fasanella E.L., Boitnott R.L., Kollas S. Dynamic Crush Characterization of Ice. NASA/TM-2006-214278, 2006.
4. Carney K.S., Benson D.J., Bois P.D., Lee R. A high strain rate model with failure for ice in LS-DYNE. Proc. of 9th International LS-DYNE Users Conference, Dearborn, MI USA, June 4-6, 2006, pp. 15-1 - 15-16.
5. Mel'nikova G.V., Matsarenko V.S., Serebriakov N.N. [Mathematical modeling of damage fan blades when ice ingress]. Trudy TsIAM no. 1344: Sovremennye metody obespecheniia prochnostnoi nadezhnosti detalei aviatsionnykh dvigatelei [Proceedings of CIAM no. 1344: Modern methods of ensuring the strength reliability of aircraft engine parts]. Moscow, TORUS PRESS, 2010, pp. 107-118. (in Russian).
6. LS-DYNA. Keyword user's manual. Volume II. Material models. Version 971 R6.1.0. Liv-ermore Software Technology Corporation (LSTC), 2012.
