CC BY
45
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
УДК 624.016
ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ ЛОПАТОК ТУРБИН АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
И.В. НЕСТЕРОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапошниковым Н.Н.
В данной статье излагается концепция построения систем прочностного анализа открытой архитектуры и их использование для разработки специализированных проблемно-ориентированных расчётных программ. В качестве иллюстрации более подробно рассмотрена технология разработки прочностной системы для расчёта лопаток турбин авиационных двигателей.
Ключевые слова: конструкция, прочностной анализ, программный комплекс, модели лопатки.
Концепция разработки больших универсальных систем прочностного анализа (COSMOS, ANSYS, ADINA и т.п.) далеко не самая перспективная на рынке программных продуктов CAD-систем технического профиля. В силу целого ряда причин большие системы прочностного анализа неудобно эксплуатировать в проектных организациях. Перечислим некоторые из них.
1. Универсальность ввода осложняет подготовку исходных данных для конкретной конструкции. В организациях, как правило, проектируются однотипные конструкции (самолёты, мосты, вагоны и т.п.) и использование универсального ввода резко осложняет работу .
2. При практическом применении универсального программного комплекса, как правило, используется только малая его часть, при этом в памяти машины находится большое количество лишней информации.
3. Избыточная библиотека элементов затрудняет работу с комплексом.
4. Для работы с большим универсальным прочностным программным комплексом необходима эксклюзивная дорогостоящая вычислительная техника, недоступная рядовому инженеру-проектировщику.
Для решения проблем автоматизации прочностных расчётов коллективом сотрудников кафедры "САПР транспортных конструкций и сооружений" Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) был разработан и апробирован прочностной комплекс открытой архитектуры "КАТРАН", включающий в себя:
- препроцессор;
- конечно - элементное ядро, выполняющее все этапы конечно-элементного анализа;
- постпроцессор.
Остановимся на каждой из частей комплекса в отдельности (рис. 1). Препроцессор разрабатывается для каждой конкретной конструкции (мост, здание, вагон). При этом применяется широко распространенный в проектных организациях графический процессор AutoCAD. Для конструирования препроцессорных блоков служит библиотека функций на языках С и AutoLISP. DWG-конвертор преобразует информацию чертежа AutoCADа во входную информацию КЭ-ядра. Препроцессор должен быть организован так, чтобы во время счета можно было менять информацию, что важно при решении задач оптимизации. Подобная организация графического ввода позволяет свободно рассчитывать не только всю конструкцию, но и ее части, что необходимо для проведения отладочных расчетов, исследования поведения конструкции в процессе
монтажа и т.п. Конечно-элементное ядро состоит из библиотеки элементов, функций формирования матрицы жесткости ансамбля конечных элементов, блока решения системы линейных уравнений и вычисления силовых факторов. Библиотека конечных элементов подбирается с ориентацией на конкретный тип конструкции.
Архитектура постпроцессора полностью определяется заказчиком и функционирует в системе Аи1;оСАВ.
АРХИТЕКТУРА ПРОЧНОСТНОГО ЕОППЛЕКСА >КАТРАН>
Непрерывно« ормированне;
чертежа' конструкции
КЭ—анализ
DWG — конверте»]
Преобразование чертежа AutoCADa в информационные структуры КЭ—анализа
Конечно“Элементный процессор
— Формирование матрицы жесткости ;
— Решение СЛА V ;
— Вычисление перемещении,
Графический
постпроцессор
Вычисление II отображение
- напряжении;
- внутренних усилии;
- деформированных
Рис. 1
На базе прочностного комплекса "КАТРАН" были разработаны проблемно-
ориентированные системы прочностного анализа для расчёта нефтеналивных резервуаров, тоннельных обделок, шахтных стволов, мостовых конструкций. Одной из последних разработок кафедры "САПР транспортных конструкций и сооружений" МИИТа является специализированная система прочностного анализа для расчёта лопаток турбин авиационных двигателей.
Самой сложной задачей при разработке этого программного комплекса было автоматическое формирование пространственной конечно-элементной модели лопатки. Нестандартная геометрия лопатки (рис. 2, 3) плохо поддаётся описанию с помощью набора аналитических функций и поэтому задаётся численно списком координат отдельных точек, представленным в виде набора пространственных сечений поверхности лопатки (рис. 4,а).
В конструкции лопатки присутствует внутренняя полость (рис. 3). Задача формирование КЭ-модели лопатки осложнялась тем, что сечения внешней поверхности и полости задавались в разных плоскостях (рис. 4,а).
Контур внеиней поверхности
Рис. 4
Поэтому на первом этапе решалась задача пересечения поверхности, моделирующей внутреннюю полость с сечениями, задающими внешнюю поверхность лопатки (рис. 4,б). На выходе формировался набор двухсвязных контуров в плоскости сечений внешней поверхности лопатки (рис. 5).
В рамках поставленной исследовательской задачи работа лопатки моделировалась четырёхугольным пластинчатым элементом с пятью степенями свободы в узле (рис. 6).
Контор внутренней полости
Рис. 5
Сі)
Сечение серединной поверхности ПРИБЛИЖЄННОИ модели
На основании набора двусвязных контуров формируются две пластинчатые конечноэлементные модели лопатки. Первая (приближённая) моделирует лопатку одной поверхностью, сформированной набором пластин переменной толщины в уровне серединной поверхности лопатки (рис. 7,а и 8,а ). Здесь геометрия лопатки моделировалось только изменением толщины пластины, включая зону внутренней полости.
Вторая модель более точная (рис. 7,б и 8,б). Здесь формируется несколько пластинчатых поверхностей, сформированных в уровнях локальных серединных поверхностей в зоне внутренней полости и зонах сплошной части
Сечение серединной поверхности уточненной модели
Рис. 7
лопатки. Г енерация конечно-элементных моделей на основании результатов оцифровки полностью автоматизировано. Одновременно с формированием геометрии создаются информационные структуры, хранящие физические и геометрические характеристики конечных элементов.
си
Е. >
После автоматической генерации дискретной модели лопатки выполняются стандартные этапы конечно-элементного расчёта: загружение модели, формирование граничных условий, расчёт конструкции. Для данной задачи эти шаги не нуждались в дополнительной автоматизации, поэтому для их программной реализации использовались стандартные функции системы "КАТРАН".
После расчёта выполняется графический вывод результатов расчёта. На рис. 9, 10 и 11 представлены результаты расчёта одного из вариантов загружения лопатки, выполненного для приближенной и уточнённой схем.
Рис. 9
Рис. 10
ЛИТЕРАТУРА
1. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. - М.: Высшая школа, 1970.
2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975.
TECHNOLOGY OF DEVELOPMENT OF THE PROBLEM-ORIENTED SYSTEM OF STRESS ANALYSIS FOR DESIGN OF SPATIAL WORK OF SHOULDER-BLADES OF TURBINES OF
AVIATION ENGINES
Nesterov I.V.
In this article conception of construction of the systems of stress analysis of the opened architecture and their use is expounded for specialized problem-oriented calculation program development. As illustration technology of development of the stress system is in more detail considered for the calculation of shoulder-blades of turbines of aviation engines.
Сведения об авторе
Нестеров Иван Владимирович, 1966 г.р., окончил МИИТ (1988), кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой систем автоматизированного проектирования транспортных конструкций и сооружений МИИТа, автор более 20 научных работ, область научных интересов - прочностной анализ транспортных конструкций и сооружений.
