Построение расчётной модели динамики и прочности инженерных конструкций
Часть 1.Задачи расчета динамики и прочности ГТД
Общие положения прочности конструкции
Проблема обеспечения механической надёжности авиадвигателей на стадиях проектирования, опытной отработки и эксплуатации имеет несравнимую практически с любой отраслью техники актуальность, обусловленную тяжелейшими последствиями лётных происшествий, связанных с возможными отказами их узлов и элементов. Сложность решения этой проблемы связана с необходимостью минимизации массы авиаконструкций, что противоречит назначению высоких запасов прочности. Это положение требует высокой точности как описания условий работы всех элементов конструкции, так и результатов расчёта.
Авиадвигатель как инженерная конструкция в течение всего срока эксплуатации должен сохранять работоспособность в условиях сложного комплексного сочетания различных эксплуатационных нагрузок и высокотемпературных воздействий. Работоспособность и механическая надёжность конструкции определяется её прочностью, жёсткостью и устойчивостью.
Под прочностью конструкции и её элементов понимают способность работы без разрушения под действием эксплуатационных нагрузок. Заключение о достаточной прочности делается путём сравнения расчётных напряжений с допустимыми значениями, назначаемыми с учётом коэффициентов безопасности, полученных на основе обобщения результатов экспериментальных исследований и опыта эксплуатации.
|
|
|
Сопротивление деформированию, то есть изменению размеров, называют жёсткостью. Для оценки жёсткости производится сравнение деформаций элементов конструкции с допустимыми их значениями.
Понятие устойчивости составляет способность конструкции сохранять свою первоначальную форму.
В ряде случаев динамического нагружения, когда невозможно с достаточной точностью определить действующие нагрузки, но известен их спектральный состав, прямой расчёт прочности и жёсткости приходится заменять расчётом опасности возникновения резонансных режимов, т.е. производить определение спектра частот собственных колебаний конструкции и сравнение этих частот с частотами действующих нагрузок.
При изучении поведения конструкции двигателя и его элементов под действием эксплуатационных нагрузок приходится иметь дело с очень сложными физическими явлениями, которые трудно описать во всём их многообразии. Поэтому, приступая к расчёту конструкции, важно выявить, какие факторы для происходящих процессов наиболее существенны, а какими можно пренебречь без заметного ущерба в результатах анализа. Эти упрощения, связанные с пренебрежением несущественными особенностями конструкции и действующих на неё нагрузок, приводят к замене реального физического явления расчётной схемой. Выбор расчётной схемы является одним из важнейших этапов расчёта.
|
|
|
Расчётная схема должна сохранять наиболее важные свойства реального объекта. Вместе с тем, она должна обеспечить создание достаточно простых расчётных методик, приводящих к таким результатам, которые могли бы гарантировать достоверность результатов инженерного анализа рассматриваемого процесса.
Выбор расчётной схемы включает в себя определение расчётных нагрузок, рациональную идеализацию конструкции, её элементов и материала. При построении расчётной схемы имеют в виду, что все её особенности непосредственно отражаются на тех расчётных соотношениях, которыми описывается эта схема. Иначе говоря, расчётная схема во многом определяет описывающую рассматриваемое явление математическую модель. Математическая модель в интересах получения достаточно простого инженерного решения задачи может в свою очередь подвергаться некоторым упрощениям.
Таким образом, целью расчётов прочности жёсткости и динамики двигателя является вывод о работоспособности конструкции и её элементов в течение всего срока эксплуатации. Для достижения этой цели необходимо поставить и решить задачу определения напряжений и деформаций в элементах конструкции. Кроме определения напряжённо-деформированного состояния, может оказаться необходимым проведение расчёта спектра частот собственных колебаний. При постановке и решении задач динамики и прочности приходится проводить определённую идеализацию конструкции в виде достаточно простой расчётной схемы, записывать соответствующую ей математическую модель, решать полученные уравнения и производить анализ решений.
|
|
|
Построение расчётной модели динамики и прочности инженерных конструкций
Научными основами расчётов динамики и прочности инженерных конструкций являются основные положения механики сплошной среды и, в частности, механики твёрдого деформируемого тела, науки о сопротивлении материалов и строительной механики.
В соответствие с этими положениями для проведения расчётов вводятся гипотезы, связанные с описанием свойств материала и определяющие соотношения между напряжениями и деформациями (например, закон Гука), затем рассматривается элемент тела и записываются условия его равновесия в общем случае в форме системы дифференциальных уравнений. Математическая модель задачи замыкается записью условий на внешней поверхности тела (граничных условий), которые дают представление об ограничениях на перемещения и деформации границ.
|
|
|
Во многих случаях для расчета узлов авиадвигателя целесообразно рассматривать сложную конструкцию как составнуюсистему, состоящую из более простых элементарных подсистем, объединённых взаимными связями. Выявление рационального разделения на подсистемы принято называть декомпозицией системы. Наложение взаимных связей - её агрегатированием.
В ряде случаев целесообразно делить систему на подсистемы по конструктивно-технологическому признаку. При выборе подсистем следует также руководствоваться принципом доминируюших нагрузок Ясно, что подсистемы с существенно различной жёсткостью связей можно рассматривать на определённом этапе как независимые. В результате задачи динамики и прочности при этом сводятся к рассмотрению ограниченного числа объектов, являющихся предметами изучения таких инженерных дисциплин, как сопротивление материалов и строительная механика. К числу этих объектов относятся брус, диск, трубчатый цилиндр, пластина и оболочка.
Брусом называется тело, у которого один размер (длина) значительно превышает два других (поперечных) размера.
Поведение бруса подчиняется гипотезе плоских сечений.
Брус, работающий на растяжение-сжатие, принято называть стержнем.
Брус, подвергающийся изгибу, называют балкой.
Брус, нагруженный только крутящим моментом, называется валом.
Брус (стержень, балка или вал) может иметь по своей длине постоянное или переменное сечение, прямолинейную или криволинейную ось. Примерами схематизации в виде брусьев могут быть лопатки турбины и компрессора, валы ротора и другие элементы двигателя.
Диском называется осесимметричное или поворотно-симметричное тело, радиальные размеры которого значительно превышают его толщину.
При этом предполагается, что внешние нагрузки уравновешиваются радиальными и кольцевыми напряжениями. Примерами таких элементов могут служить диски турбин, компрессоров или центробежных насосов.
Оболочка – это такая форма идеализации конструкции, при которой можно считать один размер упругого тела (толщину) значительно меньшим двух других. Поведение оболочки подчиняется гипотезе прямых нормалей, предполагающей, что любой её нормальный к срединной поверхности элемент остаётся нормальным к деформированной срединной поверхности. Это обеспечивает, наряду с допущением о малости перемещений, линейность расчётных соотношений для определения перемещений и напряжений.
Расчёт оболочки сводится к определению напряжений изгиба и растяжения-сжатия в осевом и меридианальном направлениях. Если образующие тело поверхности плоские, то оболочка трансформируется в пластину. Примерами схематизации в виде оболочки могут служить камеры сгорания или корпус ТРД.
Схематизация основных элементов двигателя с достаточной достоверностью позволяет получить представление о его прочности, жёсткости и устойчивости.
Дата добавления: 2023-02-21; просмотров: 15; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!