О ФОРМИРОВАНИИ АДЕКВАТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ БИБЛИОТЕКИ ПАКЕТА ANSYS ДЛЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ГТУ

электродами. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2012. - №3. - С. 89-92.

6. Галушкин Д.Н., Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 11(1).

- С. 116-119.

7. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Тепловой разгон в щелочных аккумуляторах // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2013. - № 6 (175). - С. 62-65.

8. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2013.

- № 2 (171). - С. 75-78.

9. Г Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Исследование причин теплового разгона в герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах //Электрохимическая энергетика. - 2012. - Т. 12. - № 4. - С. 208-211.

10. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах с

металлокерамическими и прессованными электродами // Электрохимическая энергетика. - 2012. - Т. 12. - № 1. - С. 42-45.

11. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в цилиндрических и дисковых никель-кадмиевых аккумуляторах // Химическая промышленность сегодня. - 2012. - № 7. - С. 54-56

12. Галушкина Н.Н., Галушкин Д.Н., Галушкин Н.Е. Нестационарные процессы в щелочных аккумуляторах: монография. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005. -107с.

13. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Thermal Runaway in Sealed Alkaline Batteries // International Journal of Electrochemical Scienc. - 2014. - Vol. 9. - P. 3022-3028.

14. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Causes Analysis of Thermal Runaway in Nickel-Cadmium Accumulators // Journal of The Electrochemical Society. - 2014. - 161 (9). - A1360-A1363.

15. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. The mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // Journal of The Electrochemical Society. - 2015. - 162 (4). - A749-A753.

О ФОРМИРОВАНИИ АДЕКВАТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ БИБЛИОТЕКИ ПАКЕТА ANSYS ДЛЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ГТУ

Порошин Вадим Борисович

кандидат технических наук, доцент, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

Дружинин Павел Сергеевич

инженер Отдела технической поддержки группы компаний Делкам -Урал, г. Екатеринбург

Шахова Светлана Александровна

студентка Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск

SELECTION OF ADEQUATE MODELS OF THE DEFORMATION PROPERTIES OF METALLIC ALLOYS BASED ON ANSYS LIBRARY TO DETERMINE THE STRESS-STRAIN STATE OF THE WORKING BLADES OF GAS TURBINE

Poroshin Vadim Borisovich, Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor of South Ural State University, Chelyabinsk Druzhinin Pavel Sergeevich, Engineer of Technical Support Department (Dynamics and Strength of Machines), Delcam-Ural, LLC, Ekaterinburg

Shahova Svetlana Alexsandrovna, graduate student of South Ural State University, Chelyabinsk АННОТАЦИЯ

Выполнен подбор оптимального сочетания моделей реологических свойств (пластичность, ползучесть) одного из жаропрочных сплавов из стандартной библиотеки МКЭ-пакета ANSYS Mechanical путем сопоставления с одной из наиболее адекватных на сегодняшний день - структурной моделью упруговязкопластической среды. На этой основе выполнен анализ кинетики напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки ГТД в течение типового полетного цикла. ABSTRACT

Completed selection of the optimum combination of rheological properties (plasticity, creep) models for one of the heat-resistant alloys from the standard library FEM package ANSYS Mechanical by comparison with one of the most adequate theories - structural model elasto viscoplastic environment (или solid). On this basis, was made the analysis of the kinetics of the stress-strain state of the rotor blade turbine engine during a typical flight cycle.

Ключевые слова: математические модели реологических свойств; пакет ANSYS Mechanical; структурная модель упруговязкопластической среды; расчет кинетики напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки ГТД.

Keywords: rheological models; ANSYS Mechanical FEM package; the structural model of elasto viscoplastic environment; kinetics of the stress-strain state of the rotor blade turbine engine.

Расчеты процессов циклического неупругого деформирования элементов конструкций часто производят с помощью широко известного промышленного пакета

а ,МПа

d "JP

4\ fi

$

Г* Щ7

>3 >2 >1 / 0 ( * А Jr 4 0 5 (

у. W

J г л

Ша

Рисунок 1. Диаграмма деформирования модели стержня, полученная с использованием двухпараметрической модели Шабоша

ANSYS Mechanical, реализующего метод конечных элементов. Популярность этого пакета такова, что иногда само его применение представляется как аргумент в пользу достоверности полученных результатов.

-т 1Па

/

/

>3 )2 »л у 0 ( у / .3 ( 4 (

/

/

А

Рисунок 2. Диаграмма деформирования модели стержня, полученная с помощью модели Шабоша с четырьмя параметрами

Вместе с тем анализ моделей деформационных свойств металлических материалов, содержащихся в соответствующей библиотеке пакета, применительно к произвольному повторно-переменному неупругому нагруже-нию показывает, что далеко не все они оказываются адекватны в названных условиях. Например, двухпараметрической моделью Шабоша при несимметричном циклическом нагружении прогнозируется так называемая циклическая ползучесть материала - постоянное «вышагивание» петли гистерезиса, иными словами, неограниченное одностороннее накопление деформации (рисунок 1), что

Рисунок 3. Модельная конструкция, расчет кинетики неупругого деформирования которой реализован в программе «ПОЛИГОН». Нагрузки F(t), М^), р^), Т(г) могут прикладываться как порознь, так и в любом сочетании

не соответствует действительности: вследствие циклического упрочнения материала накопление деформации после определенного числа циклов прекращается.

Не слишком спасает положение и использование более сложного варианта данной модели, с четырьмя параметрами - анализ кинетики деформирования демонстрирует аналогичную картину (рисунок 2).

Ситуация заметно усложняется, если программа нагружения включает различного рода выдержки при повышенной температуре - при постоянном напряжении, постоянной деформации или выдержки промежуточного характера, во время которых активно проявляется ползучесть материала.

1N

0,3

/

-0,5 0 0,5

-0,1 1

Рисунок 5. Траектория нагружения в пространстве «нормальная сила ~ крутящий момент»

Несмотря на то, что в пакете ANSYS Mechanical предусмотрена возможность подключения моделей пластичности и ползучести пользователя, практически осуществить эту операцию, к сожалению, весьма непросто в связи с закрытой организацией пакета. Таким образом,

возникает задача подбора оптимального сочетания моделей пластичности и ползучести из стандартной библиотеки ANSYS, наилучшим образом отражающих реологические свойства сталей и сплавов в рассматриваемых условиях.

Один из путей ее решения - проведение численного эксперимента над некоей модельной конструкцией при ряде представительных программ нагружения, реализация которых вероятна в ходе эксплуатации реального объекта. Результаты расчета такой конструкции (рисунок 3), выполненные c помощью ANSYS Mechanical с использованием различных моделей деформационных свойств из его библиотеки, сопоставлены с результатами

аналогичного расчета, проведенного программой «ПОЛИГОН» (разработчики - проф. О.С. Садаков и инж. М.А. Ма-лова). Описание реологических свойств материала в этой программе осуществлено с помощью одного из наиболее совершенных на сегодняшний день подхода - структурной модели упруговязкопластической среды [1, 2], адекватность которой в рассматриваемых условиях была неоднократно подтверждена и не вызывает сомнений.

Рисунок 4. Схема построения кривой циклического деформирования и циклической кривой с помощью петель гистерезиса в стабильных циклах

Oisign

0.6

1 -ANSYS --- "ПОЛИГОН"

EVSignfí-.)

0¡rSÍgn(c>¡) 08

0.6

0.4

-о:

-04

-0.8

1 1 -ANSYS -----"ПОЛИГОН"

r<<siT'  ~f

£vsign

-1.6 -1

-0.8 -0.4

0.4 0.8

Рисунок 6. Петля неупругого гистерезиса при симметричном изменении нормальной (вдоль оси) силы

В ходе численного эксперимента оказалось, что вполне приемлемой комбинацией моделей пластичности и ползучести является билинейная аппроксимация диаграммы циклического деформирования либо циклической кривой с законом установившейся ползучести типа Нортона-Бейли

— = В = с (т ур) ¿г у ^ .

Рисунок 7. Петля неупругого гистерезиса, отвечающая программе изменения момента и растягивающей силы, показанной на рисунке 5

характеристики

C

реологической функции были получены обработкой данных [2], касающихся пределов ползучести в зависимости от температуры.

На рисунке 4 показана схема получения кривой циклического деформирования и циклической кривой -деформационных характеристик материала в условиях повторно-переменного нагружения - по результатам испытаний в «жестком» симметричном цикле с различными значениями размаха деформации Asi (циклирование в каждом i-ом блоке производится до стабилизации процесса деформирования).

Рисунок 8. Изменение скорости вращения ротора турбины в течение типового полетного цикла

О 0,5 1 1,5 2 2,5

Рисунок 10. Изменение интенсивности деформации ползучести в опасной точке в течение полетного цикла

Рисунок 9. Распределение эквивалентных (по Мизесу) напряжений в нижней, прилежащей к корневому сечению,

части лопатки

В ходе численного эксперимента были реализованы несколько программ нагружения, в частности, изменение растягивающей осевой силы в «мягком» симметричном цикле, а также изменение момента M и растягивающей силы N по траектории, показанной на рисунке 5. На рисунках 6, 7 представлены результаты расчетов петель неупругого гистерезиса пакетом ANSYS Mechanical с использованием подобранного в его библиотеке оптимального сочетания моделей деформационных свойств одной из жаропрочных сталей аустенитного класса в сопоставлении с результатами аналогичных расчетов, проведенных по программе «ПОЛИГОН». На рисунке 7 по осям отложены интенсивности напряжения и деформации, которым присвоены знаки соответствующих осевых (вдоль оси стержня, см. рисунок 3) компонент. Как видно, их соответствие можно считать вполне удовлетворительным. Это обстоятельство дает основание применить подобранное сочетание библиотечных реологических моделей для расчета реального объекта в условиях неизотермического повторно-переменного неупругого деформирования с выдежками при повышенной температуре.

В качестве примера средствами пакета ANSYS Mechanical был выполнен расчетный анализ кинетки

напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки осевой турбины ГТУ в течение типового для гражданского воздушного судна полетного цикла (рисунок 8). На основе рабочего чертежа охлаждаемой лопатки с помощью элементов типа «solid» была сформирована ее трехмерная конечно-элементной модель.

Температурные поля в сечениях лопатки рассчитаны с использованием показаний термопар, полученных в ходе стендовых испытаний лопатки на термоудар с длительностью цикла примерно три с половиной минуты. Эти поля путем непропорционального изменения во времени распространили на весь полетный цикл, таким образом, тепловое состояние объекта в данном расчете носит хотя и правдоподобный, но условный характер.

Следует отметить, что расчет даже одного эксплуатационного цикла оказался весьма трудоемким, что потребовало привлечения серьезных вычислительных ресурсов. Это обстоятельство связано с необходимостью корректного описания геометрических особенностей перехода пера лопатки в основание и, как следствие, со значительным измельчением сетки и повышением количества конечных элементов.

Как и следовало ожидать, наиболее нагруженной является область, прилежащая к корневому сечению лопатки, в которой выделяются зоны на входной и выходной кромках с повышенным уровнем напряжений (рисунок 9).

Изменение неупругой деформации (главным образом, вязкой ес - рисунок 10) выглядит, на первый взгляд, сомнительно: рост неупругой деформации происходит лишь во время взлета и набора высоты, соответствующей выделенному эшелону, а на этапе крейсерского режима, для которого характерны и повышенная температура, и значительные центробежные усилия, ползучесть отсутствует. Однако дополнительное исследование показало, что скорость на этом этапе все же отлична от нуля и при

данном уровне нагрузки и температуре составляет лишь

%

3-10-3 час, что соответствует незаметному на глаз увеличению накопленной деформации.

В качестве направления дальнейших исследований рассматривается уточнение моделей реологических свойств металлических материалов из библиотеки пакета ANSYS Mechanical в рамках предоставляемых им возможностей; поцикловый расчет кинетики напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки ГТУ с целью определения параметров стабильного цикла и на этой основе оценка малоцикловой прочности объекта с учетом двухчастотности нагружения.

Литература

1. Гохфельд, Д.А. Пластичность и ползучесть элементов конструкций при повторных нагружениях / Д.А. Гохфельд, О.С. Садаков. - М.: Машиностроение, 1984. - 256 с.

2. Гохфельд, Д.А. Механические свойства сталей и сплавов при нестационарном нагружении: Справочник / Д.А. Гохфельд, Л.Б. Гецов, К.М. Кононов и др. - Екатеринбург: УрО РАН, 1996. - 408 с.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Пуринг Светлана Михайловна

доцент, кандидат технических наук, Самарский государственный архитектурно-строительный

университет, г. Самара Ватузов Денис Николаевич

старший преподаватель, Самарский государственный архитектурно-строительный университет,

г. Самара Титов Геннадий Иванович

профессор, Самарский государственный архитектурно-строительный университет г. Самара DESIGN FEATURES OF SOURCES decentral--district heating

Puring Svetlana Michailovna, Candidate of Technical Science, the associate professor, Samara State University of Architecture and Civil Engineering, Samara

Vatuzov Denis Nikolaevich, the senior lecturer, Samara State University of Architecture and Civil Engineering, Samara Titov Gennadii Ivanovich, the professor Samara State University of Architecture and Civil Engineering, Samara АННОТАЦИЯ

Рассмотрены различные варианты децентрализованного теплоснабжения. Проанализированы действующие на настоящий момент в РФ нормативные документы, регламентирующие проектирование автономных котельных и индивидуальных котлов. Выявлены технические особенности проектирования рассматриваемых вариантов теплоснабжения. ABSTRACT

In this article, various options were considered of decentralized heat supply. Normative documents of the Russian Federation governing the designing of autonomous and individual heating boiler, were analyzed. Technical features of designing options under consideration heating were identified.

Ключевые слова: теплоснабжение, крышная котельная, встроенная котельная, пристроенная котельная, по-квартирное теплоснабжение.

Keywords: heating, roof boiler, built boiler room, an attached boiler room, per-apartment heating.

Зачастую при необходимости в отоплении, вентиляции и горячем водоснабжении зданий, не всегда есть техническая возможность централизованного теплоснабжения от ТЭЦ и ЦОК. В этом случае актуальна задача выбора источника децентрализованного теплоснабжения.

На данный момент в соответствии с действующими на территории РФ сводами правил [4-6] существует не-

сколько вариантов нецентрализованного теплоснабжения здания или комплекса зданий. Теплоснабжение жилых многоквартирных зданий допускается обеспечивать путем использования крышных и пристроенных котельных, а также устройством поквартирного отопления. Для производственных, общественных, бытовых и административных зданий допускается, кроме вышеперечисленных типов котельных, устраивать встроенные котельные.