Тема: УЧЕТ ТРАНСВЕРСАЛЬНО-СДВИГОВЫХ СВОЙСТВ ПРИ ОЦЕНКЕ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ

К вентиляторам современных турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) предъявляют высокие требования по уровню аэродинамических характеристик в широком диапазоне условий эксплуатации, по общей массе, допустимому уровню шума, и, разумеется, прочности. Вентилятор существенно влияет на общую тягу и топливную эффективность силовой установки. Создание современных конкурентоспособных ТРДД с высокой тягой невозможно без совершенствования конструкции лопатки вентилятора. Так, например, наличие в достаточно удлиненных лопатках вентилятора традиционных антивибрационных полок (АВП) приводит к ухудшению его аэродинамических характеристик и увеличению расхода топлива. Отказ от применения АВП позволяет существенно повысить эффективность вентилятора и снизить удельный расход топлива. Для обеспечения условий прочности и устойчивости бесполочные лопатки вентилятора выполняют широкохордными. Масса таких широкохордных лопаток существенно (в 1,5-2 раза) выше массы лопатки с АВП. И хотя широкохордных лопаток в колесе вентилятора меньше, чем лопаток с полкой, масса колеса вентилятора увеличивается. Соответственно, растет уровень контактных напряжений на рабочих поверхностях хвостовика лопатки и диска вентилятора.
Одной из современных мировых тенденций при разработке элементов авиационных двигателей является замена металлических сплавов на полимерные композитные материалы (ПКМ), которые позволяют добиться значительного снижения веса изделия и повышения эксплуатационных характеристик. Особый интерес представляет использование ПКМ для изготовления высоконагруженных ответственных элементов: вентиляторов (рабочая лопатка, защитный кожух) турбовентиляторных двигателей, поскольку это способствует снижению массы не только самих элементов, но и сопрягаемых деталей за счет снижения передаваемых инерционных и динамических нагрузок.
В настоящее время мировые лидеры авиадвигателестроения активно внедряют композиционные материалы в конструкцию силовых деталей и узлов современных двигательных установок. Лопатки вентилятора либо лопатки спрямляющего аппарата перспективных зарубежных двигателей нового поколения: GEnx, Rolls-Royce семейства Advance и UltraFan, LEAP и HF 120 выполнены из композиционных материалов [1].
Для соединений широкохордных рабочих лопаток вентилятора с дисками используют замковое соединение «ласточкин хвост» (трапециевидный замок). В реальных конструкциях замков в силу наличия концентраторов и неравномерности распределения нагрузок напряженное состояние весьма сложное. Хвостовая часть из композитов представляет из себя толстостенную многослойную конструкцию. Большие толщины требуют умения учитывать влияние межслойных и трансверсальных напряжений, приводящих к возникновению расслоений в композитах.
Причина расслоения композитов - слабое сопротивлению сдвигу, особенно в плоскостях, где свойства материала определяются матрицей. Слабое сопротивление сдвигу - это не только низкая сдвиговая жесткость, но и низкая сдвиговая прочность. Для ряда конструкций касательные напряжения, несмотря на их малость, могут быть причиной потери несущей способности. При этом, наиболее нагруженные зоны со сложной геометрией, например, участки перегиба слоев априори считают слабым звеном конструкции, поскольку они наиболее подвержены межслоевому разрушению [2]. Согласно исследованиям в работах [3-7], межслоевые нормальные и касательные напряжения в местах перегиба слоев могут оказаться определяющими для оценки запаса статической прочности всей конструкции ввиду низкой межслоевой прочности ПКМ.
Таким образом, актуальной при создании ротора с работающими на растяжение под действием центробежных сил широкохордными лопатками является обеспечение прочности замкового соединения.
При расчетах реальных конструкций принципиально невозможно учесть все бесконечное множество действующих факторов. Более важные факторы принимают во внимание, менее важные отбрасывают. В этом смысле принято говорить о замене реальной конструкции моделью, расчетной схемой. Определение круга факторов, учитываемых расчетной схемой, представляет собой сложную не формализуемую задачу поиска компромисса между точность моделирования и трудоемкостью расчета. Применительно к расчету лопаток, выбор расчетной схемы сводится к выбору моделей формы, материала и нагружения.
Для экспериментального подтверждения статической прочности выступов диска и хвостовиков лопаток проводят испытания с перегрузкой по отношению к эксплуатационным условиям на разгонном стенде. Однако, из- за высокой стоимости их проводят только на конечных этапах сертификации двигателей. На начальных этапах проектирования целесообразно использовать численные методы определения напряженно-деформированного состояния (НДС).
Расчет на прочность лопаток по трехмерным моделям (3-D расчет) позволяет с любой необходимой степенью детализации учесть особенности формы лопатки, действующих на нее сил, поля температур; при необходимости учитывается появление пластических деформаций, эффектов ползучести, релаксации напряжений, контактное взаимодействие лопатки с соседними деталями. Подчеркнем, что проводить такие расчеты следует лишь в том случае, если действующие нагрузки и характеристики материала известны с высокой степенью точности. В противном случае, несмотря на всю трудоемкость расчетов, достоверность результатов останется низкой. Поэтому на начальном этапе проектирования стоит использовать расчеты по упрощенным численным моделям, позволяющим ответить на принципиальные вопросы, поставленные в каждом конкретном случае.
В связи с вышесказанным, целью выпускной квалификационной работы является оценка статической прочности толстостенных многослойных композитных материалов, работающих в условиях сложного напряженного состояния, на примере хвостовика рабочей лопатки вентилятора «ласточкиного» хвоста.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд основных задач:
• выполнить обзор существующих подходов к оценке статической прочности и подходов к моделированию толстостенных ПКМ в условиях сложного напряженного состояния.
• выбрать критерии разрушения, позволяющие учесть влияние вида напряженного состояния (НС) на сдвиговую прочность, определяющую начало разрушения конструкции, а также выбрать способы идентификации параметров соответствующих критериев.
• выбрать расчетную схему, учитывающую наиболее значимые параметры, определяющие состояние конструкции.
• разработать эффективную расчетную модель и выполнить серию расчетов, позволяющих оценить вид НС толстостенной композитной конструкции на примере «ласточкиного» хвоста в условиях однократного статического нагружения.
• выполнить анализ результатов и оценить потенциал материала в условиях сложного напряженного состояния (СНС) при использовании критериев, учитывающих влияние вида НС на межслойные характеристики полимерных композитных материалов (ПКМ).
Решение этих задач позволит создать методику оценки работоспособности толстостенных ПКМ при воздействии трансверсальных сжимающих нагрузок совместно со сдвиговыми с позиций прочности.
Очевидно, что исследуемый объект в процессе эксплуатации подвергается воздействию повторно-переменных нагрузок случайного характера, однако в данной работе, как уже сказано выше, ограничились лишь однократным статическим нагружением в детерминированной постановке

Купить

1. Выполненный обзор конструкций рабочих лопаток вентилятора и условий их эксплуатации, позволил выявить основной вид разрушения по типу расслоения подобных конструкций.
2. В соответствии с этим выбраны критерии достижения предельных состояний объекта исследования замкового соединения «ласточкин» хвост рабочей лопатки вентилятора при однократном статическом нагружении. Для анализа расслоений обосновано использование критерия прочности Дэниела.
3. Для идентификации параметров критерия на основе ткани саржевого плетения были изготовлены образцы и проведена серия статических испытаний.
4. На основании предложенной расчетно-экспериментальной методики было получено уточненное значение межслойного модуля сдвига определяющего границы поверхности разрушения по критерию Дэниела.
5. На основании проведенных расчетов напряженно-деформированного состояния хвостовика лопатки вентилятора было установлено, что при выбранном варианте укладки слоев максимальная нагрузка по критерию Дэниела в 2,4 раза больше в сравнении с прогнозируемой по критерию максимальных напряжений.
6. Полученные поля межслойных и трансверсальных напряжений позволили выявить с точки зрения нагруженности наиболее опасные зоны.
7. Достоверность расчета на прочность слоистых пластиков определяется корректным выбором критерия прочности при сложном напряженном состоянии с учетом эффекта изменения межслойной прочности при поперечном сжатии, использованием известных вычислительных методов и стандартных пакетов ANSYS Workbench, MathCAD и Excel, а также анализом сходимости численных решений. Достоверность экспериментального определения констант упругости и прочности подтверждается корректным использованием поверенного испытательного и измерительного оборудования, а также, путем сопоставления с результатами, полученными другими авторами.
8. Практическую значимость исследования представляет использование малопараметрического критерия Дэниела, позволяющего получить дополнительный запас прочности или реализовать его путем снижения массы конструкции.
По результатам данного исследования будет подготовлена публикация в журнале и трудах международного уровня.

Купить