Исследование процессов разрушения при высокоскоростной эрозии материалов
|
1 Введение и обзор литературы. 2
1.1 Постановка задачи 4
1.2 Обзор литературы 4
1.2.1 Общая контактная теория Герца 4
1.2.2 Задача Лэмба 6
1.2.3 Использование функции Грина в решении о распространении упругих волн в твердом теле 8
1.2.4 Численные подходы 9
2 Моделирование процесса высокоскоростного эрозионного разрушения. 11
2.0.5 Математическая постановка задачи 11
2.0.6 Критерий инкубационного времени разрушения 12
2.1 Моделирование тестовой задачи, подготовка к проектированию основной проблемы 12
2.1.1 Описание тестовой модели 13
2.1.2 Параметры решения 17
3 Моделирование высокоскоростного эрозионного разрушения лопатки турбинного двигателя. 18
4 Результаты. 21
5 Выводы. 25
6 Список литературы. 28
1.1 Постановка задачи 4
1.2 Обзор литературы 4
1.2.1 Общая контактная теория Герца 4
1.2.2 Задача Лэмба 6
1.2.3 Использование функции Грина в решении о распространении упругих волн в твердом теле 8
1.2.4 Численные подходы 9
2 Моделирование процесса высокоскоростного эрозионного разрушения. 11
2.0.5 Математическая постановка задачи 11
2.0.6 Критерий инкубационного времени разрушения 12
2.1 Моделирование тестовой задачи, подготовка к проектированию основной проблемы 12
2.1.1 Описание тестовой модели 13
2.1.2 Параметры решения 17
3 Моделирование высокоскоростного эрозионного разрушения лопатки турбинного двигателя. 18
4 Результаты. 21
5 Выводы. 25
6 Список литературы. 28
На сегодняшний день одними из самых распространенных и наиболее изучаемых проблем являются причины и последствия разрушения различного рода материалов. Воздействия, под влиянием которых происходят процессы повреждения или разрушения тех или иных образцов, имеют очень широкую классификацию, в которой далеко не последнее место занимает эрозия материалов, проблемы которой и будут рассматриваться в данной работе.
Под высокоскоростным эрозионным разрушением понимается образование и развитие дефектов на поверхности металлов и других материалов, являющееся следствием механического воздействия различного рода частиц, движущихся с определенной скоростью. С разрушениями такого рода чаще всего можно столкнуться при эксплуатации газо-турбинного двигателя, из составляющих которого наибольшему влиянию эрозии подвержены лопасти компрессора (рис. 1). Данная ситуация является достаточно опасной и требует подробного изучения, так как дефекты, возникающие на поверхности лопаток в процессе эрозионного воздействия, могут привести к дисбалансу всей конструкции газо-турбинного двигателя с последующим его отказом. Ухудшение поверхности лопасти из-за эрозии твердыми частицами может оказать существенное влияние на прочность лезвия [1]. Свойства поверхности и ее способность противостоять эрозии являются одним из ключевых факторов, определяющих надежность системы, поскольку различные поверхностные неровности могут служить концентраторами напряжений, снижающими прочность лопасти в условиях высокочастотной циклической нагрузки, типичной для лопаток компрессора [42]. Причиной возникновения такого рода дефектов является запыленность взлетно-посадочных полос и вертолетных площадок, с поверхности которых в двигатели летательных аппаратов попадают частицы песка, кристаллы соли и так далее.
В дальнейшем моделировании и анализе полученных результатов будут использоваться параметры, соответствующие характеристикам вертолета Sokol (польский многоцелевой вертолет, разработанный компанией PZL в конце 1970-х годов) и используемого в его конструкции двигателя TWD- 10B/PZL-10S, которые приведены в таблице 1.
Интерес к изучению эрозионного разрушения и его последствий стимулирован сложностью самого процесса и важностью рассматриваемой проблемы. Для исследования процесса высокоскоростного эрозионного воздействия существует ряд экспериментов, проводимых на установках, имитирующих условия эрозии, максимально приближенные к эксплуатационным. Чтобы изучить сопротивляемость определенного материала эрозионному воздействию, образцы следует вводить либо в ускоренный поток абразивных частиц [4,5], либо перемещать через абразивную среду [6]. Наиболее используемыми и эффективными являются методы, использующие установки аэродинамического и центробежного типов [7]. К сожалению, в силу трудоемкости и высокой стоимости вышеперечисленные испытания позволяют проводить лишь ограниченное количество экспериментов, а использование только аналитических методов не позволяет учесть реальных условий эксплуатации, геометрию детали, траекторию частицы и другие.
Рис. 1: Ступени компрессора газо-турбинного двигателя
Развитие технологий в последние годы позволило на новом уровне описывать различные процессы и структуры, используя компьютерное моделирование, которое уже успело стать важной составляющей теоретических и прикладных исследований. Таким образом, применяя моделирование в исследованиях, становится реальным не только повышать возможности теоретических расчетов, но и дублировать и оптимизировать дорогостоящие натурные испытания.
В данной работе представлено моделирование процесса эрозионного разрушения лопатки первой ступени компрессорного двигателя TWD-10B/PZL- 10S, эксплуатируемого вертолетом Sokol с помощью метода конечных элементов. Использование данного комплекса обусловлено многоцелевой направленностью программы, независимостью от аппаратных средств, высокой точностью расчетов, надежностью проектирования и удобством используемого интерфейса. Задействованный в исследовании комплекс ANSYS использует различные виды решателей. В зависимости от сложности задачи и ее постановки используется тот или иной способ решения.
Эрозию лопаток турбины следует рассматривать как процесс динамического разрушения, поскольку она включает в себя высокоскоростные удары частиц с очень малой продолжительностью, и, следовательно, эти процессы должны обрабатываться с использованием подходов динамического разрушения, поскольку теории статической силы могут привести к ошибочному анализу [8]. Одним из таких походов является критерий инкубационного времени разрушения [9], позволяющий рассчитывать наблюдаемые в экспериментах по разрушению твердых тел эффекты неустойчивого поведения динамических прочностных характеристик.
При этом важной частью изучения разрушения, в нашем случае высокоскоростного эрозионного разрушения, является определение различных пороговых характеристик, например, критической скорости абразивных частиц, контактирующих с поверхностью лопастей турбины. Исследование пороговых значений параметров, характеризующих возникновение дефектов, позволяют определить структурно-временные особенности протекающего процесса и эффекты, соответствующие им [10,11].
Помимо компьютерного моделирования эрозионного разрушения, существует множество аналитических подходов, позволяющих получить различные важнейшие характеристические параметры, от значения которых зависит то или иное состояние материала, подверженного эрозии. Далее будут представлены некоторые методы, используемые для описания контактного взаимодействия индентора и упругого полупространства, благодаря которым можно определить историю напряжений, возникающих на поверхности материала, подверженного высокоскоростному контактному воздействию, характерному для задач эрозии, пробивания и так далее.
1.1 Постановка задачи.
Цель данной работы заключается в разработке численной расчетной схемы для предсказания различных характеристик процессов эрозионного разрушения поверхности турбинной лопатки.
В ходе работы для исследования процесса высокоскоростного эрозионного разрушения были поставлены следующие задачи:
1) Разработка численной модели, способной моделировать высокоскоростное контактное взаимодействие частицы и лопатки компрессора турбинного двигателя.
2) Применение динамического критерия инкубационного времени разрушения к результатам, полученным в ходе решения основной проблемы, для построения различного рода зависимостей.
3) Анализ полученных зависимостей пороговых харакетристик.
4) Оптимизация параметров, влияющих на изменение критической скорости частицы.
Под высокоскоростным эрозионным разрушением понимается образование и развитие дефектов на поверхности металлов и других материалов, являющееся следствием механического воздействия различного рода частиц, движущихся с определенной скоростью. С разрушениями такого рода чаще всего можно столкнуться при эксплуатации газо-турбинного двигателя, из составляющих которого наибольшему влиянию эрозии подвержены лопасти компрессора (рис. 1). Данная ситуация является достаточно опасной и требует подробного изучения, так как дефекты, возникающие на поверхности лопаток в процессе эрозионного воздействия, могут привести к дисбалансу всей конструкции газо-турбинного двигателя с последующим его отказом. Ухудшение поверхности лопасти из-за эрозии твердыми частицами может оказать существенное влияние на прочность лезвия [1]. Свойства поверхности и ее способность противостоять эрозии являются одним из ключевых факторов, определяющих надежность системы, поскольку различные поверхностные неровности могут служить концентраторами напряжений, снижающими прочность лопасти в условиях высокочастотной циклической нагрузки, типичной для лопаток компрессора [42]. Причиной возникновения такого рода дефектов является запыленность взлетно-посадочных полос и вертолетных площадок, с поверхности которых в двигатели летательных аппаратов попадают частицы песка, кристаллы соли и так далее.
В дальнейшем моделировании и анализе полученных результатов будут использоваться параметры, соответствующие характеристикам вертолета Sokol (польский многоцелевой вертолет, разработанный компанией PZL в конце 1970-х годов) и используемого в его конструкции двигателя TWD- 10B/PZL-10S, которые приведены в таблице 1.
Интерес к изучению эрозионного разрушения и его последствий стимулирован сложностью самого процесса и важностью рассматриваемой проблемы. Для исследования процесса высокоскоростного эрозионного воздействия существует ряд экспериментов, проводимых на установках, имитирующих условия эрозии, максимально приближенные к эксплуатационным. Чтобы изучить сопротивляемость определенного материала эрозионному воздействию, образцы следует вводить либо в ускоренный поток абразивных частиц [4,5], либо перемещать через абразивную среду [6]. Наиболее используемыми и эффективными являются методы, использующие установки аэродинамического и центробежного типов [7]. К сожалению, в силу трудоемкости и высокой стоимости вышеперечисленные испытания позволяют проводить лишь ограниченное количество экспериментов, а использование только аналитических методов не позволяет учесть реальных условий эксплуатации, геометрию детали, траекторию частицы и другие.
Рис. 1: Ступени компрессора газо-турбинного двигателя
Развитие технологий в последние годы позволило на новом уровне описывать различные процессы и структуры, используя компьютерное моделирование, которое уже успело стать важной составляющей теоретических и прикладных исследований. Таким образом, применяя моделирование в исследованиях, становится реальным не только повышать возможности теоретических расчетов, но и дублировать и оптимизировать дорогостоящие натурные испытания.
В данной работе представлено моделирование процесса эрозионного разрушения лопатки первой ступени компрессорного двигателя TWD-10B/PZL- 10S, эксплуатируемого вертолетом Sokol с помощью метода конечных элементов. Использование данного комплекса обусловлено многоцелевой направленностью программы, независимостью от аппаратных средств, высокой точностью расчетов, надежностью проектирования и удобством используемого интерфейса. Задействованный в исследовании комплекс ANSYS использует различные виды решателей. В зависимости от сложности задачи и ее постановки используется тот или иной способ решения.
Эрозию лопаток турбины следует рассматривать как процесс динамического разрушения, поскольку она включает в себя высокоскоростные удары частиц с очень малой продолжительностью, и, следовательно, эти процессы должны обрабатываться с использованием подходов динамического разрушения, поскольку теории статической силы могут привести к ошибочному анализу [8]. Одним из таких походов является критерий инкубационного времени разрушения [9], позволяющий рассчитывать наблюдаемые в экспериментах по разрушению твердых тел эффекты неустойчивого поведения динамических прочностных характеристик.
При этом важной частью изучения разрушения, в нашем случае высокоскоростного эрозионного разрушения, является определение различных пороговых характеристик, например, критической скорости абразивных частиц, контактирующих с поверхностью лопастей турбины. Исследование пороговых значений параметров, характеризующих возникновение дефектов, позволяют определить структурно-временные особенности протекающего процесса и эффекты, соответствующие им [10,11].
Помимо компьютерного моделирования эрозионного разрушения, существует множество аналитических подходов, позволяющих получить различные важнейшие характеристические параметры, от значения которых зависит то или иное состояние материала, подверженного эрозии. Далее будут представлены некоторые методы, используемые для описания контактного взаимодействия индентора и упругого полупространства, благодаря которым можно определить историю напряжений, возникающих на поверхности материала, подверженного высокоскоростному контактному воздействию, характерному для задач эрозии, пробивания и так далее.
1.1 Постановка задачи.
Цель данной работы заключается в разработке численной расчетной схемы для предсказания различных характеристик процессов эрозионного разрушения поверхности турбинной лопатки.
В ходе работы для исследования процесса высокоскоростного эрозионного разрушения были поставлены следующие задачи:
1) Разработка численной модели, способной моделировать высокоскоростное контактное взаимодействие частицы и лопатки компрессора турбинного двигателя.
2) Применение динамического критерия инкубационного времени разрушения к результатам, полученным в ходе решения основной проблемы, для построения различного рода зависимостей.
3) Анализ полученных зависимостей пороговых харакетристик.
4) Оптимизация параметров, влияющих на изменение критической скорости частицы.
Выводы:
1) В данном исследовании была разработана универсальная численная модель для анализа процессов разрушения поверхности лопатки компрессора турбинного двигателя TWD-10B/PZL-10S в результате эрозионного воздействия. Благодаря возможности варьирования констант материала и параметров моделируемого решения можно исследовать новые структуры и инновационные сплавы. Данный подход помогает избежать проведения дорогостоящих экспериментов и имеет практическое применение в различных инженерных сферах. Описанный метод изучения эрозионного воздействия является полезным инструментом для инженерных потребностей, так как он предоставляет информацию о поведении материала в реальных условиях.
2) Применяя к полученной в ходе решения истории напряжений уравнения контактной теории Герца, были определены пороговые значения скорости удара частицы для различных значений ее радиуса частиц. Из полученной зависимости наблюдалось увеличение критической скорости при увеличении размеров поражающей частицы (рис.10). Таким образом, для стандартного режима полета воздушного судна были найдены критические размеры поражающих частиц, при взаимодействие лопатки компрессора газо-турбинного двигателя с которыми, наблюдается эрозионное разрушение поверхности исследуемого образца.
Рис. 15: Последствия эрозионного разрушения
3) В ходе исследования были найдены пороговые скорости, при которых наблюдается разрушение поверхности лопатки, для различных значений углов подлета поражающей частицы. Данная зависимость представлена на рис.11. Можно заметить, что при увеличении угла падения относительно нормали к поверхности контакта пороговое значение скорости частицы увеличивается. Таким образом, данная зависимость позволяет сделать вывод о возможности оптимизации геометрии лопатки компрессора газо-турбинного двигателя путем увеличения угла падения частицы относительно нормали к поверхности образца.
4) При решении поставленной нами основной задачи также была выявлена зависимость критического значения скорости от параметра инкубационного времени разрушения т, являющегося характеристикой материала. График, описывающий изменение пороговой скорости частицы при варьировании параметра т, представлен на рис.13. Из построенной по результатам моделирования кривой видно, что наименее подверженными эрозионному разрушению являются материалы с высоким значением инкубационного времени разрушения т. Следовательно, возникает возможность оптимизации свойств материала для повышения критической скорости удара частицы.
5) Сравнивались пороговые значения скоростей для различных мест контакта поверхности и абразивной частицы. При смещении к боковым границам лопатки зоны контакта наблюдалось уменьшение критической скорости, что определяет наиболее подверженные эрозионному разрушению зоны, а именно, наиболее близкие к краю образца области. Данное утверждение позволяет улучшать прочностные параметры материала не по всему объему, а лишь в тех областях, где наиболее возможно возникновение критических дефектов вследствие эрозионного воздействия.
1) В данном исследовании была разработана универсальная численная модель для анализа процессов разрушения поверхности лопатки компрессора турбинного двигателя TWD-10B/PZL-10S в результате эрозионного воздействия. Благодаря возможности варьирования констант материала и параметров моделируемого решения можно исследовать новые структуры и инновационные сплавы. Данный подход помогает избежать проведения дорогостоящих экспериментов и имеет практическое применение в различных инженерных сферах. Описанный метод изучения эрозионного воздействия является полезным инструментом для инженерных потребностей, так как он предоставляет информацию о поведении материала в реальных условиях.
2) Применяя к полученной в ходе решения истории напряжений уравнения контактной теории Герца, были определены пороговые значения скорости удара частицы для различных значений ее радиуса частиц. Из полученной зависимости наблюдалось увеличение критической скорости при увеличении размеров поражающей частицы (рис.10). Таким образом, для стандартного режима полета воздушного судна были найдены критические размеры поражающих частиц, при взаимодействие лопатки компрессора газо-турбинного двигателя с которыми, наблюдается эрозионное разрушение поверхности исследуемого образца.
Рис. 15: Последствия эрозионного разрушения
3) В ходе исследования были найдены пороговые скорости, при которых наблюдается разрушение поверхности лопатки, для различных значений углов подлета поражающей частицы. Данная зависимость представлена на рис.11. Можно заметить, что при увеличении угла падения относительно нормали к поверхности контакта пороговое значение скорости частицы увеличивается. Таким образом, данная зависимость позволяет сделать вывод о возможности оптимизации геометрии лопатки компрессора газо-турбинного двигателя путем увеличения угла падения частицы относительно нормали к поверхности образца.
4) При решении поставленной нами основной задачи также была выявлена зависимость критического значения скорости от параметра инкубационного времени разрушения т, являющегося характеристикой материала. График, описывающий изменение пороговой скорости частицы при варьировании параметра т, представлен на рис.13. Из построенной по результатам моделирования кривой видно, что наименее подверженными эрозионному разрушению являются материалы с высоким значением инкубационного времени разрушения т. Следовательно, возникает возможность оптимизации свойств материала для повышения критической скорости удара частицы.
5) Сравнивались пороговые значения скоростей для различных мест контакта поверхности и абразивной частицы. При смещении к боковым границам лопатки зоны контакта наблюдалось уменьшение критической скорости, что определяет наиболее подверженные эрозионному разрушению зоны, а именно, наиболее близкие к краю образца области. Данное утверждение позволяет улучшать прочностные параметры материала не по всему объему, а лишь в тех областях, где наиболее возможно возникновение критических дефектов вследствие эрозионного воздействия.
Подобные работы
- Численное исследование влияния формы частиц потока газовзвеси на их характеристики отскока от поверхности тела
Дипломные работы, ВКР, механика. Язык работы: Русский. Цена: 4235 р. Год сдачи: 2018 - Численное исследование влияния формы частиц потока газовзвеси на их характеристики отскока от поверхности тела
Дипломные работы, ВКР, механика. Язык работы: Русский. Цена: 4280 р. Год сдачи: 2018