Влияние ударных нагрузок на скоростное деформирование элементов корпуса ГТД Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

Н.Ю. ОВЧАРОВА, Ю.С. ВОРОБЬЕВ

Институт проблем машиностроения им. A.H. Подгорного HAH Украины, Украина

ВЛИЯНИЕ УДАРНЫХ НАГРУЗОК НА СКОРОСТНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОРПУСА ГТД

Рассматриваются особенности скоростного деформирования цилиндрических элементов корпуса газотурбинного двигателя при локальных ударных нагрузках. Трехмерные модели учитывают конечные упругопластические деформации и динамические свойства материалов. Метод конечных элементов используется для анализа динамического напряженно-деформированного состояния цилиндрических элементов конструкций. Показаны особенности распределения и локализации полей перемещений и интенсивностей напряжений при различных скоростях нагружения однослойных и двухслойных элементов корпусов газотурбинных двигателей.

Ключевые слова: корпус ГТД, ударные нагрузки, трехмерные модели, скоростное деформирование, локализация напряжений.

Введение

При работе газотурбинных двигателей возможны отрывы фрагментов лопаток и ротора под действием статических и вибрационных нагрузок и попавших в газовоздушный тракт посторонних предметов. При этом возникают источники локальных ударных нагрузок на корпус двигателя в поле центробежных сил [1, 2]. Опыт эксплуатации газотурбинных двигателей показывает опасность повреждения и даже пробития корпуса ГТД под действием ударных нагрузок.

В местах воздействия локальных ударных нагрузок возникает трехмерное напряженно-деформированное состояние в ограниченной зоне. Вследствие этого необходимо рассматривать процесс скоростного деформирования даже сравнительно тонкостенных осесимме-тричных элементов корпуса на основе трехмерных моделей [2, 3]. Элементы корпуса могут быть однослойными или иметь накладки из стали или композитных материалов.

В результате возникает задача анализа упру-гопластического деформирования элементов корпуса с учетом конечных перемещений и деформаций. Результаты данной работы отражают развитие исследований, приведенных в публикациях [1, 2, 3].

1. Постановка задачи и модель системы

Осесимметричные элементы конструкции переменной толщины Н(г) рассматриваются в цилиндрической системе координат г, ф, г, где г — ось симметрии . Возможно наличие одного или двух слоев . Компоненты вектора перемещений направлены вдоль соответствующих

координат. На элемент конструкции действуют ударники кругового или прямоугольного сечения с различными массами и скоростями.

Для описания процесса скоростного деформирования используется известная система уравнений движения в цилиндрической системе координат [1, 2]. Модель отличается учетом конечных деформаций, которые описываются зависимостями

' \2 \2

ды 1 ег =—+— г дг 2

dv и 1

:--1--+ —

гдф г 2

dv v дг г

dw

/ dv mn 2 + du N 2 + ' dw 4 2 Л

ч чгдф г J UapJ UapJ /

_ dw 1 2

(dv + {dz

Ч&,

(1)

_ du dv v röcp дг r

du du rdq> dr

dv + и rdq> r

dv vj dw dw dr r ) гЭф dr

_ dv dw dz rd<p

dv и -+ —

^гЭф г,

r du du Л

dz гЗф

dw dw dz rdty

Yzr =

du dw 1 — + — + —

dz dr 2

dudu^dufdv v^j öw öw у dz dr dz l^Sr r ) dz dr ;

Зависимости между напряжениями и деформациями описываются согласно динамическому варианту теории пластических деформаций:

© Н.Ю. Овчарова, Ю.С. Воробьев, 2013

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2013

оф -G = —I е,

If -I1 -I

3£J

Ttpz_\l/Y(pz (2)

¥

z 3

£ — £r +£ф +£z

_ 3 е/

где .

2ог-

Динамическое упрочнение материалов отражает зависимости интенсивностей напряжений от интенсивностей деформаций и скоростей

деформаций ог = аг(ег,ег) [2] . В данном случае используются зависимости типа Пэжины.

1 +

Ее;

(3)

m и r — коэффициенты чувствительности к скорости деформации;

скорость деформации в пластиче-

где Е — модуль упругости;

скои стадии.

Для численного анализа процесса скоростного деформирования строится конечно-элементная модель, которая отражает своИства физическоИ модели. Используются трехмерные 20-узловые гексагональные элементы в цилиндрической системе координат. КаждыИ узел имеет 6 степеней свободы. Функции форм таких изопараметрических элементов позволяют описать непрерывное изменение напряжении и деформациИ.

2. Результаты численного анализа

Некоторые элементы газотурбинных двигателей изготовлены из композитных материалов . Рассмотрен элемент с внутренним диаметром 800 мм, толщиноИ 30 мм, плотностью материала р = 1300 кг/м3, модулем упругости E = 2660 МПа, коэффициентом Пуассона v = 0,45. Для такого элемента при воздействии ударника массоИ 0,1 кг со скоростью 400 м/с максимальные перемещения составили 0Д67-10"2 м, а максимальная интенсивность напряжениИ 54 МПа, что соответствует упругим деформациям . При локальных ударных нагрузках наибольшие перемещения и напряжения развиваются в ограниченных зонах и быстро убывают по пространственным координатам и во времени.

Рис. 1. Поля интенсивностей напряжений в поперечном сечении цилиндрического элемента при скорости соударения 400 м/с при использовании обычной (слева) и более густой сетки (справа)

Эти особенности динамического напряженно-деформированного состояния позволяют выделить соответствующую область элемента и провести для нее уточненные расчеты с использованием более густой

сетки . Результаты таких расчетов представлены на рис . 1. При скоростях ударника 1000 м/с и более возникают пластические деформации, а после разгрузки наблюдаются остаточные деформации (рис . 2).

Рис. 2. Распределение максимальных перемещений и интенсивностей напряжений (слева) и остаточных после разгрузки (справа) в композитном материале при скоростях 1000 м/с

В наиболее ответственных местах корпуса используются накладки. Рассматривается воздействие фрагмента компрессорной лопатки на двухслойный элемент корпуса с толщинами к]= 1,4 мм и И2=2 мм и внутренним диаметром 415 см. Материал корпуса сталь — 10ХСНД. При радиусе отрыва 330 мм фрагмента из титанового

сплава ВТЗ-1 скорость соударения составляет 350 м/с. Максимальное значение интенсивностей напряжений (150 МПа) не достигает предела упругости. При скоростях соударения 1000 м/с наблюдаются значительные пластические деформации (рис. 3). При увеличении скоростей ударника происходит пробитие элемента корпуса.

Рис. 3. Поля интенсивностей перемещений и напряжений при скости соударения 1000 м/с при использовании

обычной (слева) и более густой сетки (справа)

Выводы

Под действием локальных ударных нагрузок в ограниченной области развивается трехмерное напряженно-деформированное состояние.

Максимальные напряжения и деформации резко убывают в пространстве и времени. Вследствие этого даже для сравнительно тонкостенных элементов задачу следует рассма-

тривать в трехмерной постановке. В зоне удара может быть использована более густая сетка.

При скоростях соударения 300 — 400 м/с скоростное деформирование элементов корпуса происходит в упругой стадии. Максимальные напряжения достигаются в течение 2-4-1010 сек после контакта с ударником.

При увеличении скорости соударения до 1000 м/с процесс деформирования происходит

1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2013

- 211 -

в упругопластической стадии и при разгрузке возникают остаточные деформации . Использование двухслойных элементов конструкций приводит к существенному снижению перемещений и интенсивностей деформаций.

Авторы доклада выражают признательность Государственному фонду фундаментальных исследований Украины за финансовую поддержку работ.

Литература

1. Воробьев Ю.С . Локальное ударное воздействие на цилиндрические элементы конструкций [Текст]/ Ю.С. Воробьев, Н.Ю.Овчарова // Авиационно-космическая техника и технология . — 2012 . - №11/47 . — С. 35-43.

2 . Воробьев Ю.С . Локальное импульсное воздействие на оболочечные элементы

конструкциИ [Текст]/ Ю.С. Воробьев, М.В .Чернобрывко, ЛКрушка // Авиационно-космическая техника и технология . — 2005. — №9/25 . — С . 181 — 184 .

3. Проблемы анализа скоростного деформирования элементов конструкциИ при импульсном нагружении [Текст]/ Ю.С . Воробьев, М.В . Чернобрывко, Н.Ю . Евченко и др.// Авиационно-космическая техника и технология. — 2007. — №11/47 . — С. 35 — 43 .

4. Трощенко В.Т. Механическое поведение материалов при различных видах нагруже-ния [Текст]/ В.Т. Трощенко, А.А. Лебедев, В.А Стрижало и др. . — К.: Логос, 2000. — 571 с.

5. Meyers M.A. Dynamics behavior of materials [text]/ M.A. Meyers . - New York: Wiley, 1994. — 283 p.

Поступила в редакцию 01.06.2013

Н.Ю. Овчарова, Ю.С. Воробйов. Вплив ударних навантажень на швидюсне дефор-мування елеменпв корпусу ГТД

Розглядаються особливост1 швидкюного деформування цилтдричних елемент^в корпусу газотурбтного двигуна при локальних ударних навантаженнях. Тривим^рш модели врахову-ють скшченш пружно-пластичш деформацИ та динам^чш властивост1 матер1ал1в. Метод скшченних елемент^в використовуеться для анализу динамичного напружено-деформованого стану цилЫдричних елемент^в конструкций. Показаш особливост1 розподлу та локал^зацн пол1в перемщень i жтенсивностей напружень при р1зних швидкостях навантажень одно-шарових i двошарових елементiв корпуЫв газотурбнних двигушв.

Ключов1 слова: корпус ГТД, ударм навантаження, тривимiрнi моделi, швидксне деформування, локалiзацiя напружень.

N.Yu. Ovcharova, Iu.S. Vorobiov. Influence of high-rate deformation on the gas turbine case under impact loading

Peculiar of high-rate deformation of the cylindrical gas turbine case elements are considered. Three-dimensional models take into account finite elastic-plastic deformation and dynamic properties of materials. Finite element method is used for analysis the dynamic stress-strain state of cylindrical structural elements. Peculiarities of distributions and localization of movement and stresses intensities fields at difference speeds of loading one-layer and two-layer constructions element are showed.

Keywords: gas turbine case, impact loading, three-dimensional models, the high-rate deformation, stress localization.