Исследование НДС и оценка прочности композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя
Автор: Гринев М.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В., Зуйко В.Ю., Шипунов Г.С.
Статья в выпуске: 4, 2015 года.
Бесплатный доступ
В последнее время композиционные материалы активно используются при создании высоконагруженных деталей и узлов авиационных двигателей. Для эффективного применения композитов в таких деталях необходимо выбрать оптимальную схему армирования основной рабочей части конструкции, а также провести анализ напряженного состояния в наиболее нагруженных зонах со сложной геометрией: в узлах крепления, участках технологических переходов и соединений различных поверхностей. Настоящая работа посвящена детальному исследованию НДС лопатки спрямляющего аппарата (ЛСА) авиационного двигателя из полимерных композиционных материалов. Приведена постановка объемной задачи механики деформируемого твердого тела (МДТТ) для расчета напряженно-деформированного состояния слоистой конструкции и оценки ее прочности по напряжениям в слоях. В расчетной схеме конструкции ЛСА учитывается технологический порядок укладки, анизотропия свойств армирующих слоев и способ закрепления детали в замковом соединении. Схема армирования лопатки определена в предыдущих работах. Для оценки запаса статической прочности использовался критерий максимальных напряжений. Численное решение данной задачи осуществлялось методом конечных элементов (МКЭ) в пакете ANSYS Workbench с использованием высокопроизводительного вычислительного комплекса. Проведен детальный послойный анализ напряженно-деформированного состояния конструкции, особое внимание уделено участкам перегиба слоев в окрестности полок лопатки, где наиболее вероятно возникновение высоких межслоевых напряжений. Получена оценка влияния условия закрепления лопатки на характер напряженного состояния. Показано, что наиболее опасными, определяющими запас прочности конструкции, являются напряжения межслойного сдвига. Установлено, что материал ВКУ-39 и схема армирования конструкции [0°/±45°], выбранные при проектировании, позволяют обеспечить двукратный запас статической прочности разработанной углепластиковой лопатки при эксплуатационных нагрузках.
Лопатка спрямляющего аппарата, полимерные композиционные материалы, углепластик, механика композиционных материалов, напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов (мкэ), схема армирования, жесткость, прочность
Короткий адрес: https://sciup.org/146211589
IDR: 146211589 | УДК: 629.7.036.34; | DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.17
Stress-strain analysis and strength prediction of composite outlet guide vane for aircraft jet engine
Today the composite materials are widely used in aviation industry for load bearing elements of aircraft engines. The following problems need to be solved for an effective composite application: firstly, choosing the optimal reinforcing scheme for main working area of construction, and secondly, realizing the stress-strain analysis for the most loaded zones with complex geometry such as joints, layer crossings and area connections. The present work is devoted to detailed stress-strain analysis of composite outlet guide vane (OGV) for aircraft engine. The 3D problem formulation of mechanics of anisotropic laminated composite for strength prediction was given. The technological scheme of laying out anisotropic plies and fastening method were taken into account in the model. The scheme of reinforcing for OGV was determined in the previous researches. The maximum stress criterion was used for estimation of strength margin. The numerical simulation of this problem was carried out by finite element method (FEM) with ANSYS Workbench software. Due to the high dimensionality of FE model, the high-performance computing complex was used. The in-depth layered analysis of stress-strain state of the structure was made. The special focus was made on the areas with twisted layers near the flange of vane where the initiation of high interlaminar stresses is most likely to take place. An estimate of the influence of fastening conditions on the stress state for OGV was obtained. It was shown that interlaminar shear stresses are the most dangerous. It was found that the VKU-39 material and [0°/±45°] reinforcing scheme allow to provide the double strength margin under working loads for developed OGV.
Список литературы Исследование НДС и оценка прочности композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя
- Гагауз Ф.М. Проблемы технологии формирования соединительных узлов конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. ХАИ. -2012. -№ 4 (72). -С. 15-20.
- Carsten C. Aero-mechanical optimisation of a structural fan outlet guide vane//Structural and multidisciplinary optimization. -2011. -Vol. 44. -No. 1. -P. 125-136. DOI: DOI: 10.1007/s00158-010-0617-4
- Технологии и задачи механики композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов, А.А. Третьяков//Вестник ПНИПУ. Механика. -2014. -№ 4. -С. 5-44. DOI: DOI: 10.15593/perm.mech/2014.4.01
- Иноземцев А.А., Нихамкин М.Ш., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2. -М.: Машиностроение, 2008. -368 с.
- Конструкция и прочность авиационных газотурбинных двигателей/Л.П. Лозицкий . -М.: Воздушный транспорт, 1992.
- Пат. 2317448 RU C2. Спрямляющий лопаточный аппарат компрессора авиационного двигателя с приклеенными лопатками/Мон К.М. . Снекма Мотер, 2008.
- Patent 5074752 A US. Gas turbine outlet guide vane mounting assembly/Murphy G.C., Haaser F.G., Matacia A.J. General Electric Company, 1991.
- Patent EP 1219785 A1. Gas turbine vane installation/Glover S.L., Manning T.E. United Technologies Corporation, 2002.
- Patent 6343912 B1 US. Gas turbine or jet engine stator vane frame/Manteiga J.A., Nussbaum J.H., Noon J.L. General Electric Company, 2002.
- Patent 6619917 B2 US. Machined fan exit guide vane attachment pockets for use in a gas turbine/Glover S. L., Manning T. E. United Technologies Corporation, 2003.
- Patent 20110192166 A1 US. Outlet guide vane structure/Mulcaire T.G. Rolls-Royce Plc, 2011.
- Пат. 50257 РФ. Спрямляющий аппарат компрессора/Лазарев М.А., ОАО «НПО Сатурн», 2005.
- Пат. 2290285 C2 RU. Способ пайки лопаток спрямляющего аппарата компрессора турбореактивного двигателя/Клемен Ж-Ф., Д. Снекма Мотер, 2006.
- Patent 8734101 B2 US. Composite vane mounting/McDonald S.A. . General Electric Co., 2014.
- Finite element analysis of composite T-joints used in wind turbine blades/Y. Wang, C. Soutis, A. Hajdaei, P.J. Hogg//Plastics, Rubber and Composites. -2015. -Vol. 44. -No. 3. -P. 87-97. DOI: DOI: 10.1179/1743289814Y.0000000113
- Аношкин А.Н., Ташкинов А.А., Грицевич А.М. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей//Механика композитных материалов. -1997. -Т. 33, № 3. -С. 255-262. DOI: DOI: 10.1007/s00158-010-0617-4
- Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Нестационарные процессы накопления повреждений композитных фланцев при циклических нагрузках//Механика композитных материалов. -1997. -Т. 33, № 5. -С. 449-454.
- Расчет НДС и оценка прочности композитного фланца стеклопластикового кожуха авиационного газотурбинного двигателя/А.Н. Аношкин, М.В. Рудаков, И.С. Страумит, Е.Н. Шустова//Вестн. Уфим. гос. авиац. техн. ун-та. -2011. -Т. 15, № 1 (41). -С. 67-75.
- Моделирование механических испытаний образца-сегмента композитного фланца кожуха авиадвигателя/А.Н. Аношкин, М.В.Рудаков, И.С.Страумит, М.А. Гринев//Изв. Самар. науч. центра РАН. -2011. -Т. 13, № 1-2. -С. 283-289.
- Компьютерное моделирование механического поведения композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/М.А. Гринев, А.Н. Аношкин, П.В. Писарев, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов//Вестник ПНИПУ. Механика. -2015. -№ 3. -С. 38-51. DOI: DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.04
- Абовский Н.П., Андреев Н.П., Деруга А.П. Вариационные принципы теории упругости и теории оболочек. -М.: Наука, 1978. -287 с.
- Скудра А.М., Булавс Ф.Я., Роценс К.А. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков. -Рига: Зинатне, 1971. -238 с.
- Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей/Перм. гос. техн. ун-т. -Пермь, 1998. -101 с.
- Лукина Н.Ф. Клеевые препреги на основе тканей Porcher -перспективные материалы для деталей и агрегатов из ПКМ //Труды ВИАМ. -2014. -№ 6. -URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=677 (дата обращения: 19.11.15).
- Дик Дж.С. Технология резины: Рецептуростроение и испытания: пер. с англ./под ред. В.А. Шершнева. -СПб.: Научные основы и технологии, 2010. -620 с.
- Хорев А.И. Теория и практика создания титановых сплавов для перспективных конструкций//Технология машиностроения. -2007. -№ 12. -С. 5-13.
