автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Комплексное прогнозирование термонапряженного и деформированного состояния элементов конструкций ракетных двигателей и энергетических установок

Введение.

Глава 1. Методика расчета термонапряженного и деформированного состояния элементов конструкций РД и ЭУ.

1.1. Физическое и математическое представление метода поэтапного нагружения.

1.2. Математические модели нелинейного поведения материалов при расчетах ТНДС конструкций.

1.3. Комплекс программ расчета термонапряженного состояния РД и ЭУ.

Глава 2. Исследования термонапряженного состояния элементов конструкций РД и ЭУ в осесимметричной и плоской постановках.

2.1. Исследования термонапряженного состояния критическом сечении сопла.

2.2. Исследования термонапряженного состояния разрядной камеры

Т-160Е с учетом результатов "утяжеленных" испытаний.

2.3. Исследования термонапряженного состояния элементов конструкций с возможным их контактным взаимодействием.

2.4. Исследование ТНДС критического сечения сопла изделия "04"

Глава 3. Исследования термонапряженного и динамического состояния элементов ротора турбонасосного агрегата.

3.1. Методическое обеспечение для расчетов термонапряженного состояния дисков быстро вращающихся турбин.

3.2. Методическое обеспечение для расчетов термонапряженного состояния лопаток турбины ТНА.

3.3. Методическое обеспечение для расчетов динамических характеристик многоопорных быстро вращающихся роторов.

Глава 4. Исследование напряженно-деформированного состояния наполнителей.

4.1. Метод оценки механического состояния наполнителей.

4.2. Численные исследование НДС наполнителей.

4.3. Определение оптимального месторасположения замка манжетного раскрепления изделия "06".

Глава 5. Экспериментальное подтверждение в обоснование разработанных методов. Рекомендации и внедрение.

5.1 Оценка механического состояния наполнителей.

5.2 Исследование термонапряженного состояния критического сечения изделия "06".

5.3 Результаты исследования взаимодействия корпуса и ТЗП РДТТ.

5.4 Вибропрочность двигателя Т-160Е.

5.5 Исследование термонапряженного состояния аккумулятора из МПГ-6 при охлаждении.

Выводы.

Ракетная и ракетно-космическая техника всегда являлась зоной особого внимания не только технически развитых стран Стира. Это связано не только с использованием ракетной техники и космических технологий в военных целях, но и все возрастающей потребностью обслуживания Земли из космоса ( мобильная связь, метеоспутники, разведка полезных ископаемых, картография, энергетика и пр. ). Развитие и совершенствование ракетной техники и, соответственно, двигательных и энергетических установок ( ДУ и ЭУ ) идет не только по пути повышения их энергетических характеристик ( импульса, тяги ), снижения габаритно-массовых характеристик, но и по пути увеличения их надежности, ресурса и многоразовое™ использования. Это требует совершенствования и развития программно - методического обеспечения, создаваемого такими прикладными науками, как газовая динамика, теплообмен, прочность и другие. Требует так же совершенствования и развития математических средств, являющихся неотъемлемым инструментом для решения прикладных задач, возникающих при проектировании и отработке конструкций, стойких в агрессивных средах, условиях вакуума при действии механических, термических и вибрационных нагрузок, воздействие которых воспроизводится от запуска к запуску при многоразовом их использовании.

Сложность конструкций ДУ и ЭУ, все более напряженные условия их работы, сложность протекающих в них процессов диктуют необходимость создания более точных трехмерных многопараметрических математических моделей, разработки более совершенных алгоритмов и программно - методических средств, базирующихся на многолетнем опыте отработки изделий, экспериментальных данных и натурных обобщениях. Применение в конструкциях ДУ и ЭУ новых материалов, исследование механических и теплофи-зических свойств которых на образцах затруднено или невозможно, приводит к необходимости создания расчетно-экспериментальных методик. В основе этих методик лежит расчетный анализ экспериментальных данных условий работы, теплового и напряженно-деформированного состояний, как модельных конструкций, так и натурных конструкций, испытания которых закончились аварийно или с замечаниями по состоянию материальной части.

Настоящая работа является расчетно-теоретической, но включает проанализированные автором ситуации, приведшие к аварийным исходам при отработке ДУ и ЭУ. Цель работы.

Создание методов решения физически нелинейных задач теории упругости и пластичности при комплексном квазистатическом воздействии на конструкцию нестационарного температурного поля и механических нагрузок. На основании разработанных методик и алгоритмов создать комплекс программ анализа напряженно-деформированного состояния, позволяющего также учитывать развитие и накопление пластических деформаций в конструкции при циклическом воздействии этих нагрузок от запуска к запуску при многоразовом использовании РД и ЭУ.

С помощью разработанного комплекса программ провести численные исследования распределений напряжений и деформаций в элементах конструкций РД и ЭУ, численные исследования развития пластических деформаций при действии механических, термических и вибрационных нагрузок, воздействие которых воспроизводится от запуска к запуску при многоразовом их использовании.

Научная новизна работы.

1. Методы решения физически нелинейных задач:

- метод поэтапного нагружения, обобщающий и модифицирующий методы переменных параметров упругости, начальных деформаций и начальных напряжений;

- методика расчета накопления и развития пластических деформаций при комплексном воздействии термических и механических нагрузок, воспроизводящихся от запуска к запуску;

2. Методика расчета критических чисел оборотов вращения многоопорных роторов с использованием полуаналитического метода конечных элементов, предназначенного для решения задач о напряженно-деформированном состоянии тел вращения при неосесимметричном на-гружении;

3. Методика индивидуальной оценки механического состояния заряда твердого топлива прочноскрепленного с корпусом при его хранении и эксплуатации.

Практическая ценность работы.

Разработанные комплексный расчетный метод и алгоритмы для решения практических задач прочности и деформативности позволяют проводить с помощью созданного на их базе программно-методического обеспечения прогноз сложного нестационарного термонапряженного и деформированного состояния элементов конструкции РД и ЭУ, а при многократном нагружении оценить развитие пластических деформаций в материале. Реализация работы.

Разработанное программно-методическое обеспечение внедрено в Центре Келдыша, в ОАО НПО "Искра" (г. Пермь), использовалось при отработке элементов двигательных установок ОАО НПО «Энергомаш» и КБХМ. Комплекс программ принят в отраслевой фонд алгоритмов и программ ( ОФАП ). Материалы диссертации использованы в «Руководстве для конструкторов по применению углерод - углеродных материалов в соплах» и в эскизном проекте Солнечной энергетической двигательной установки ( СЭДУ ). Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на межведомственных семинарах НИИ тепловых процессов ( в Центре Келдыша ) в 1982, 1983, 1984 гг., на научно - практической конференции в Италии в 1999, 2000 гг., на научно - техническом семинаре в рамках проекта "Волга" в 2003г, на 3-м межотраслевом семинаре "Прочность и надежность нефтегазового оборудования" в 2003г.

Публикации.

Результаты работы опубликованы в 62 научно - технических отчетах и технических справках, в том числе в 4 статьях, в "Руководстве для конструкторов по применению углерод - углеродных материалов в соплах" и в эскизном проекте СЭДУ.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемых источников.

Выводы.

1. Для определения напряженно-деформированного состояния в процессе работы конструкций ракетных двигателей ( РД ) разработан метод поэтапного нагружения, основанный на минимизации функционала приращения полной энергии системы при переходе от одного этапа нагружения к другому. Этапу, согласно траектории нагружения конструкции, соответствует конкретная комбинация внешних поверхностных и объемных ( массовых и тепловых ) нагрузок, воздействующих на РД.

2. Разработана методика и комплексный алгоритм решения физически нелинейных задач теории упругости и пластичности при комплексном квазистатическом воздействии на конструкцию РД нестационарного температурного поля и механических нагрузок. Комплексный алгоритм расчета на основе метода конечных элементов в сочетании с методом поэтапного нагружения обобщает известные алгоритмы решения нелинейных задач, а именно, методов переменных параметров упругости, начальных деформаций и начальных напряжений.

3. На основании разработанных методов решения физически нелинейных задач разработана методика и алгоритм расчета развития и накопления пластических деформаций при комплексном воздействии термических и механических нагрузок, воспроизводящихся от запуска к запуску при многоразовом использовании РД и ЭУ.

4. Разработан алгоритм и программа расчета критических чисел оборотов вращения многоопорных роторов с использованием полуаналитического метода конечных элементов, предназначенного для решения задач о напряженно-деформированном состоянии тел вращения при неосесимметричном нагружении.

5. На основании разработанных методов и алгоритмов создан комплекс программ анализа напряженно-деформированного состояния при квазистатическом воздействии на конструкцию механических, тепловых нагрузок и при динамическом нагружении быстровращающихся роторных систем.

6. Разработана методика индивидуальной оценки механического состояния заряда твердого топлива прочноскрепленного с корпусом при его хранении и эксплуатации. Снижение предельных характеристик топлива, полученное на стадии хранения и эксплуатации в наиболее опасных зонах заряда с точки зрения прочности при работе двигателя, оценивается по фактическим данным - температурно-временному режиму хранения, дальности транспортировки, времени ходовых вибраций и пр.

1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975г.

2. Биргер И.А. Общие алгоритмы решения задач теории упругости, пластичности, ползучести. Успехи механики деформируемых сред М., 1975г.

3. Шевченко Ю.Н., Терехов Р.Г. Физические уравнения термовязкопластич-ности. -Киев, 1982г.

4. Зарубин B.C. Прикладные задачи термопрочности элементов конструкций. М., 1985г.

5. Савченко В.Г. Использование упруго-пластического состояния тел вращения при переменном неизотермическом нагружении с учетом ползучести. -М., 1982г. ( Прикладная механика т.18, № 12 ).

6. Программа расчета теплового и напряженно-деформированного состояния конструкций методом конечных элементов "MKEI": Отчет/ Центр Келдыша; Исполн. Андреев В.М., Пахомов Б.М. Инв. № 024730 - 1985г.

7. Анализ состояния прикладного программно-методического обеспечения САПР: Отчет/ Центр Келдыша; Исполн. Альков Н.Г., Бубнов В.И. и др. Инв. №030409- 1988г.

8. Ильюшин А.А. Пластичность. М., 1948 г.

9. Быков Д.Л. Основные уравнения и теоремы для одной модели физически нелинейной среды. Инженерный журнал. Механика твердого тела, 1966г, № 4.

10. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М., 1975г.

11. Комплекс программ подготовки исходных данных и расчета НДС осе-симметричных и плоских конструкций методом конечных элементов: Описание программ, Автор: Бубнов В.И. Инв. № 1191П ОФАП - 1989г.

12. Анализ разрушения камеры двигателя ЗД45.170.00 СБ при термонагру-жении. НПГО/Центр Келдыша. Исполн. Бубнов В.И., Смирнов А.В., Устинов Г.Н. 1998г.

13. Report: Characterization of a boron nitrid/silicon dioxide material from Matra Marcony Space,june 1998, INASMET, San Sebastian.

14. Махутов Н.А. "Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкции на прочность". М.: Машиностроение, 1981 г. - 272с.

15. Комплексные исследования влияния определяющих параметров на долговременную работоспособность при многопараметрическом нагружении агрегатов ЖРД многократного использования. НТО/ИЦ; Исполн. Бубнов В.И. Инв. №3759-2002г.

16. Анализ существующих в отрасли материалов и нормативных документов по расчету прочности и жесткости роторов турбоагрегатов. НТО/ИЦ; Ис-полн. Бубнов В.И., Устинов Г.Н., Смирнов А.В. Инв.№3117 - 1999г.

17. Критическая скорость вала. Анализ напряжений насосов и турбины: Отчет/Центр Келдыша, контракт HYSA-99-S001, июль 2000 г.

18. Бейзельман Р. Д., Цыпкин Б. В., Перель Л. Я., Подшипники качения. Справочник. М., "Машиностроение", 1975.

19. Геллер Р.А., Синчх М.П., Зибдех X. Влияние окружающей среды на величину накопленных повреждений в ракетных двигателях. Аэрокосмическая техника. М., 1985г, № 10.

20. Уо. Сроки службы РДТТ. .Spacecraft and Rock., v. 31, 1994, № 6.

21. Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. М. -1984г.

22. Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории термовяз-коупругости. М., 1970г.

23. Тепловой аккумулятор для нагрева рабочего тела. Патент №2196917 от 6.02. 2002г,

24. Многофункциональный двигатель РД163 для разгонного блока с солнечной тепловой энергетической установкой. Эскизный проект. Пояснительная записка 26.0163.0000.0000.00.0ПЗ, инв. №00676.1. Р Ин,.*1. Наряд № J (Is1. Текст S4 л.1. Илл.ч 9 Л.1. Фотол.

25. Всего в отчете /03 л. Тираж jJэкз. Печ. л. '/J