Прочность композиционной лопатки компрессора газотурбинного двигателя
Выполнена серия расчетов на прочность лопатки компрессора ГТД при различных схемах армирования и показано, что в лопатке из гибридного композиционного материала существует возможность за счет выбора схемы армирования добиваться оптимального распределения внутренних усилий по компонентам композита, и тем самым, снижая напряжения в наиболее опасных точках, повышать прочность всей лопатки. Так… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. ЛОПАТКИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РЕШЕНИЯ (Литературный обзор)
- 1. 1. Общая характеристика проблемы и задачи, возникающие при ее решении
- 1. 2. Работы ведущих зарубежных авиадвигателестроительных компаний по применению композиционных материалов в перспективных авиационных двигателях
- 1. 3. Работы ведущих отечественных авиадвигателестроительных компаний по применению композиционных материалов в перспективных авиационных двигателях
- 1. 3. 1. Исследования
- 1. 3. 2. Исследования ОАО «НЛП Мотор»
- 1. 4. Исследования напряжений в замковых соединениях лопатки с компрессором
- 1. 5. Методы механики композиционных материалов и теории упругости анизотропных тел
- 1. 6. Механические и физические характеристики компонент композиционного материала
- 1. 6. 1. Механические и физические характеристики углеродных волокон
- 1. 6. 2. Механические и физические характеристики борных волокон
- 1. 6. 3. Механические свойства магния и сплавов на его основе
- 1. 6. 4. Механические и физические характеристики титановых сплавов
- 1. 7. Основные уравнения, применяющиеся при решении задаи по прочности композиционной лопатки компрессора
- 1. 7. 1. Соотношения теории упругости анизотропных тел
- 1. 7. 2. Численные решения уравнений теории упругости
- 1. 7. 3. Соотношения для оценки прочности композиционной лопатки
- 1. 7. 4. Исследования автора
- 1. 8. Основные результаты главы
- 2. 1. Общая характеристика исследования
- 2. 2. Структура композиционного материала
- 2. 3. Экспериментальное изучение прочности углеродной нити
- 2. 3. 1. Весовые и размерные параметры углеродной нити и её волокон
- 2. 3. 2. Испытание углеродной нити на прочность при растяжении
- 2. 4. Экспериментальное исследование упругих и прочностных свойств углеродомагния при растяжении и изгибе
- 2. 4. 1. Образцы для испытаний и испытательное оборудование
- 2. 4. 2. Результаты испытаний по определению модуля упругости и предела прочности углеродомагния при растяжении и изгибе
- 2. 4. 3. Обсуждение результатов исследований модуля упругости и предела прочности углеродомагния при растяжении и изгибе
- 2. 5. Моделирование напряженно-деформированного состояния образца из углеродомагния при растяжении
- 2. 5. 1. Общая характеристика исследования
- 2. 5. 2. Геометрическая форма прямоугольного образца и его размеры
- 2. 5. 3. Конечно-элементная сетка по объему прямоугольного образца
- 2. 5. 4. Напряженно-деформированное состояние прямоугольного образца из композиционного материала при растяжении
- 2. 6. Методика уточнения результатов расчета, полученных численным методом, и оценка их точности
- 2. 6. 1. Постановка задач
- 2. 6. 2. Методика экстраполяции при неизвестном порядке аппроксимации
- 2. 6. 3. Экстраполяция применительно к вычислению максимальных напряжений в прямоугольном образце из композиционного материала
- 2. 7. Оценка точности результатов расчетов максимальных напряжений в образцах при растяжении
- 2. 7. 1. Обработка результатов численных расчетов максимальных напряжений в прямоугольном образце
- 2. 7. 2. Оценка точности результатов расчетов максимального напряжения в образце из КМ по относительной ошибке
- 2. 8. Напряженно-деформированное состояние при растяжении образца из композиционного материала, имеющего зауженную рабочую зону
- 2. 8. 1. Форма и размеры образца с зауженной рабочей зоной
- 2. 8. 2. Результаты расчетов НДС для образца в форме лопатки
- 2. 9. Растяжение прямоугольного образца при одинаковых узловых силах на поверхностях захватов
- 2. 10. Растяжение прямоугольного образца при внешней нагрузке, равномерно распределенной по площади поверхности образца, взаимодействующей с захватами
- 2. 11. Основные результаты главы 2. у^
- 3. 1. Постановка задачи и этапы её решения
- 3. 2. Представительный элемент гибридного композиционного материала
- 3. 3. Анизотропный однородный материал, эквивалентный гибридному композиционному материалу
- 3. 3. 1. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при его деформации вдоль оси X
- 3. 3. 2. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при его деформации вдоль оси У
- 3. 3. 3. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при его деформации вдоль оси Z
- 3. 3. 4. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при деформации сдвига у
- 3. 3. 5. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при деформации сдвига уyz
- 3. 3. 6. Моделирование напряженного состояния представительного элемента при деформации сдвига yxz
- 3. 4. Определение упругих характеристик гибридного композиционного материала в пакете ANS YS
- 3. 5. Расчет упругих характеристик гибридного композиционного материала по приближенным аналитическим формулам
- 3. 5. 1. Упругие характеристики слоя однонаправленного двухком-понентного композиционного материала
- 3. 5. 2. Слой боромагния в гибридном композиционном материале
- 3. 5. 3. Слой углеродомагния в гибридном композиционном материале
- 3. 5. 4. Характеристики жесткости двухслойного гибридного композиционного материала
- 3. 6. Определение напряжений в компонентах композиционного материала
- 3. 6. 1. Структура представительного элемента композиционного материала и возникающие в его компонентах напряжения
- 3. 6. 2. Напряжения в компонентах слоя однонаправленного композиционного материала
- 3. 6. 3. Оценка прочности по материалу армирующих волокон
- 3. 6. 4. Оценка прочности по материалу матрицы
- 3. 7. Основные результаты главы
- 4. 1. Постановка задачи и методы ее решения
- 4. 2. Оценка напряжений при решении объемной задачи
- 4. 2. 1. Лопатка из изотропного материала
- 4. 2. 2. Лопатка из композиционного материала
- 4. 3. Схемы армирования корневой части рабочей лопатки компрессора из композиционного материала
- 4. 4. Особенности методики расчета хвостовика лопатки из композиционного материала
- 4. 5. Результаты расчетов напряжений на границе модели хвостовика лопатки компрессора
- 4. 6. Напряжения в углеродных армирующих волокнах хвостовика лопатки
- 4. 6. 1. Напряжения в углеродных армирующих волокнах хвостовика лопатки при различных схемах армирования и радиусах переходной поверхности
- 4. 6. 2. Напряжения в углеродных волокнах при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска
- 4. 6. 3. Напряжения в углеродных волокнах при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска
- 4. 7. Напряжения в борных армирующих волокнах хвостовика лопатки
- 4. 7. 1. Напряжения в борных армирующих волокнах хвостовика лопатки при различных схемах армирования и радиусах переходной поверхности
- 4. 7. 2. Напряжения в борных волокнах при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска
- 4. 7. 3. Напряжения в борных волокнах при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска
- 4. 8. Напряжения в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику в зависимости от схемы армирования
- 4. 8. 1. Сопоставление эквивалентных напряжений в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к ее хвостовику при различных схемах армирования
- 4. 8. 2. Напряжения в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска при различных схемах армирования
- 4. 8. 3. Напряжения в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска при различных схемах армирования
- 4. 9. Влияние радиуса перехода от пера к хвостовику лопатки на максимальные эквивалентные напряжения в магниевой матрице прь различных схемах армирования
- 4. 9. 1. Сопоставление эквивалентных напряжений в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к ее хвостовику при различных радиусах переходной поверхности
4.9.2. Поля напряжений в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при скользящей посадке хвостовика лопатки в пазе диска в зависимости от радиуса переходной поверхности и схеме армирования 5.
4.9.3. Поля напряжений в магниевой матрице в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска в зависимости от радиуса переходной поверхности и схеме армирования 5.
4.9.4. Поля напряжений в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска в зависимости от радиуса переходной поверхности для неармированной лопатки.
4.9.5. Поля напряжений в зоне перехода от пера лопатки к хвостовику при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска в зависимости от радиуса переходной поверхности для неармированной лопатки.
4.10. Напряжения в магниевой матрице в верхней угловой точке боковой грани хвостовика лопатки.
4.10.1. Напряжения в магниевой матрице в верхней угловой точке боковой грани хвостовика при различных посадках хвостовика лопатки в паз диска и различных радиусах перехода.
4.10.2. Напряжения в магниевой матрице в верхней угловой точке боковой грани хвостовика при скользящей посадке хвостовика лопатки в паз диска.
4.10.3. Напряжения в магниевой матрице в верхней угловой точке боковой грани хвостовика при неподвижной посадке хвостовика лопатки в паз диска.
4.10.4. Сопоставление по прочности титановой лопатки и лопатки из композиционного материала, армированной по схеме 5.
4.11. Основные результаты главы 4.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
Список литературы
- Ашкенази Е. К., Ганов Э. В. Анизотропия конструкционных материалов: Справочник. JL: Машиностроение, 1972. — 216 с.
- Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах.-М.-КомпьютерПресс, 2002,-224с.
- Басов К. А. ANS YS: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. — 640 с.
- Безухов, Н. И. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач / П. И. Безухов, О. В. Лужин- М.: Высш. шк., 1974.-200 с.
- Биргер, И. А., Мавлютов Р. Р. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986, 560 с.
- Будилов И.Н., Жернаков B.C. Сопротивление разрушению элементов разъемных соединений высоконагруженных конструкций. М.: Наука, 2000. — 240с.
- Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.
- Горлов В.Б. Исследование напряжений в пере лопатки компрессора.- В кн.: Поляризационно-оптический метод исследования напряжений: Труды 5-й Всесоюзной конференции. JL: Изд-во ЛГУ, 1966.
- Жарин Д.Е. Определение упругих характеристик однонаправленных волокнистых композитов с учетом пленочной фазы полимерной матрицы / А. Н. Бобрышев, Д. Е. Жарин, А. Ф. Гумеров // Пласт, массы. -2002. № 4. — С. 25 — 27.
- Жарин Д.Е., Калашников В. И., Соколова Ю. А., Шибаков В. Г. Производство композитных материалов в машиностроении / Калашников В. И., Соколова Ю. А., Шибаков В. Г. Уч. пос., Кнорус, 2008, с.96
- Житников В. П., Шерыхалина Н. М. Моделирование течений весомой жидкости с применением методов многокомпонентного анализа/ В. П. Житников, Н. М. Шерыхалина- Уфа: ГИЛЕМ, 2009.-336 с.
- Житников В. П., Шерыхалина Н. М., Ураков А. Р. Линейные некорректные задачи. Верификация численных результатов: учебное пособие/ В. П. Житников, Н. М. Шерыхалина., А. Р. Ураков- Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2008. — 100 с.
- Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике.-М. Мир, 1975 -541 с.
- Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. -М.: Мир, 1986, 318 с.
- Ивах А.Ф., Рыжов A.A., Галимханов Б. К. Методы проектирования рабочих лопаток из композиционного материала. Машиноведение, конструкционные материалы и технологии: Сб. науч.тр., АН РБ, отделение технических наук. Уфа: Гилем, 2002, с. 107−117.
- Ивах А.Ф., Рыжов A.A., Галимханов Б. К. Основы проектирования и создания лопаток из композиционных материалов // Вестник УГАТУ.-2008. № 2. — С.48 — 54.
- Ивах А.Ф., Рыжов A.A., Галимханов Б. К. Проблемы отработки рабочих лопаток из композиционного материала. Сборник научных трудов, АН РБ, отделение технических наук. Уфа: Гилем, 2005.
- Ивах А.Ф., Рыжов A.A., Галимханов Б. К. Проектирование рабочих лопаток из композиционного материала. Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий: Сборник научных трудов, АН РБ, отделение технических наук. Уфа: Гилем, 2004, с.7−18.
- Ивах А.Ф., Рыжов A.A., Галимханов Б. К. Усталостные испытания лопаток из композиционных материалов. Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане: Сб. науч. тр. АН РБ, отделение технических наук. Уфа: Гилем, 2003, с. 60−65.
- Каплун А.Б., Морозов Е. М., Олферьева М.А. ANSYS руках инженера: Практическое руководство. Изд.2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004. -272 с.
- Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. 2-е изд., пе-рераб. и доп. — М.: Высш.шк., 2008. — 535 с.
- Композиционные материалы. Т.7: Анализ и проектирование конструкций. М.: Машиностроение. 1978. — 344 с.
- Композиционные материалы: Справочник / Под ред. Д. М. Карпиноса. К.: Наукова думка, 1985. — 590 с.
- Композиционные материалы: Справочник/ В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др.- Под общ. Ред.В. В. Васильева, Ю.М. Тарнаполь-ского. -М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
- Костиков В.И., Варенков А. Н. Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродными волокнами. М. 2000. — 500 с.
- Костиков, В. И., Варенков А. Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. М.: Интермет Инжиниринг, 2003−560с.
- Кристенсен Р. Введение в механику композитов: Пер. с англ. М.: Мир, 1982.-336 с.
- Лахтин Ю.М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
- Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977.-416 с.
- Лурье С. А., Юсефи Шахрам. Об определении эффективных характеристик неоднородных материалов. Механика композиционных материалов и конструкций. 1996, т. 3, № 4. С. 76−92.
- Мавлютов P.P. Проблемы концентрации напряжений в авиационных конструкциях. Труды Уфимск. авиац. ин-та. Уфимск.авиац.ин-т -1973.-Вып. 40.-С.З-65.
- Мавлютов, Р. Р. Концентрация напряжений в элементах авиационных конструкций. -М.: Наука, 1981. 141 с.
- Мардимасова Т.Н. Остаточные напряжения в замковых соединениях лопаток турбомашин.
- Материаловедение: Учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин и др.- Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. 8-е изд., стереотип. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — 648 с.
- Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. СПб.: Научные основы и технологии, 2008. — 822 с.
- Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология М.: Техносфера, 2004. 408 с.
- Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1981.-304 с.
- Нусратуллин Э.М. Упрочнение хвостовика лопатки компрессора за счет армирования высокомодульными волокнами. / Нусратуллин Э. М. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПбГПУ. 2010. № 4 (110).С.107−111.
- Нусратуллин Э.М. Компьютерное моделирование упругих характеристик ортотропного композиционного материала / Павлов В. П., Нусратуллин Э. М. // Механика деформируемых тел и конструкций: Межвузовский научный сборник. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 167 177.
- Нусратуллин Э.М. Методика определения упругих эффективных характеристик композиционного материала / Нусратуллин Э. М. // Мав-лютовские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 84 86.
- Нусратуллин Э.М. Расчет на прочность замковой части лопатки компрессора из композиционного материала средствами АИ8У8 в ЗБ по-становке/Э.М. Нусратуллин// Мавлютовские чтения: Материалы Все-рос. молод.науч. конф. 2009, УГАТУ, с. 106−107.
- Нусратуллин Э.М. Расчет на прочность хвостовой части лопатки компрессора из композиционного материала / Нусратуллин Э. М. // X Королевские чтения: Всерос. молод, науч. конф. с междун. участием, Самара: СГАУ, 2009. С. 139 140.
- Нусратуллин Э.М. Тензометрический комплекс на базе модулей ADAM / Нусратуллин Э. М., Шаяхметов В. А. // Мавлютовские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа: УГАТУ, 2011. С. 137−139.
- Нусратуллин Э.М. Упругие и прочностные свойства композиционного материала на основе углеродных волокон и магниевой матрицы / Нусратуллин Э. М. // Мавлютовские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа: УГАТУ, 2007. С. 114 115.
- Первушин Ю.С., Жернаков B.C. Основы проектирования и технологии изготовления изделий из слоистых композиционных материалов. Уфа, 2007.-201 с.
- Первушин, Ю. С. Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала:
- Учебное пособие / Ю. С. Первушин, В. С. Жернаков- Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2002. — 127 с.
- Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1975. — 704 с.
- Победря Б. Е. Механика композиционных материалов. М.:1984 400с.
- Практикум по теории статистики: Учеб. пособие / Под ред.Р.А. Шмой-ловой. М.: Финансы и статистика, 2002. — 416 с.
- Протасов В. Д., Страхов В. JI, Кульков А. А. Проблемы внедрения композитных материалов в конструкции авиационно-космической техники//Механика композитных материалов.-1990.-№ 6.-С. 1057−1063.
- Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Т. 1. / Под ред.И. А. Биргера и Я. Г. Пановко.-М.:Машиностроение, 1968.-832с.
- Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Т. 2./ Под ред. И. А. Биргера и Я. Г. Пановко.-М.Машиностроение, 1968.-464с.
- Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Т. 3. / Под ред.И. А. Биргера и Я. Г. Пановко.-М.-Машиностроение, 1968.-568 с.
- Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979.744 с.
- Румшинский JI. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. — 192 с.
- Сахаров А. С., Кислоокий В. Н., Киричевский В. В. Метод конечных элементов в механике твердых тел.-Киев:Вища шк., 1982.- 80 с.
- Сегерлинд JL Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1979. 392 с.
- Скибин В. А., Солонин В. И., Палкин В. А. Работы ведущих авиадви-гателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей(аналитический обзор).-М.:ЦИАМ, 2010.-676с.
- Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей.- М.: Машиностроение, 1981. 550 с.
- Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1 / Под ред. Дж. Любина: Пер. с англ. А. Б. Геллера, М. М. Гельмонта- под ред. Б. Э. Геллера. М.: Машиностроение, 1988. — 448 с.
- Стерин И.С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки / Учебное пособие. СПб.: Политехника, 2003.-344 с.
- Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. — 352 с.
- Структура и свойства композиционных материалов / К. И. Портной, С. А. Салибеков, И. Л. Светлов, В.М.Чубаров- М.:Машиностроение, 1979.-255 с.
- Теория статистики: Учебник / Под редакцией Р. А. Шмойловой. М.: Финансы и статистика, 2002. — 560 с.
- Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер: с англ. М.: Наука, 1979. — 560 с.
- Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов. Учебник для вузов. 2-е изд., стер. СПб.: Лань, 2003. — 672 с.
- Томсон Е.Р., Лемке Ф. Д. Композиционные материалы с металлической матрицей / Под ред. К.Крейдера. М.: Машинстроение, 1978, — 164 с.
- Углеродные волокна / Пер. с япон./ Под ред. С.Симамуры. М. Мир, 1987.-304 с.
- Углеродные волокна и углекомпозиты / Пер с англ. Под ред. Э. Фитце-ра. М.: Мир, 1988.-336 с.
- Феодосьев В.И. Сопротивление материалов М.: Наука, 1979−560с.
- Черный A.A., Черный В. А. Композиционные материалы в технике и перспективы их получения при производстве отливок: Учеб.пособие. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. 60 с.
- Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справочное пособие.- М.: Машиностроение, 2004.- 512 с.