КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОРСЕТНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ ТЕРМОУСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ДЕТАЛИЗАЦИИ ЕГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ

Артем Савиковский

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОРСЕТНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ ТЕРМОУСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ДЕТАЛИЗАЦИИ ЕГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ

Прогнозирование ресурса элементов газотурбинных установок (ГТУ) является актуальной для практики задачей. Рабочие температуры элементов ГТУ могут достигать высоких значений и циклически изменяться во времени. В связи с этим становятся актуальными задачи исследования усталостной и термоусталостной прочности [1,2] материалов и элементов ГТУ, например, рабочих и направляющих лопаток [3] в авиационных двигателях. В последнее время для изготовления лопаток ГТУ используются жаропрочные моно- и поликристаллические сплавы, состоящие из раствора никеля (-фазы) и упрочняющей  -фазы на основе интерметаллида Ni3Al, такие как ВЖМ4, ЖС32, ЖС36, ВИН3, ЖС6Ф и т.д. Для исследования термоусталостной прочности указанных материалов проводятся эксперименты на плоских корсетных образцах на установке, разработанной в НПО ЦКТИ.

Механика

Статьи

Вуз: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

ID: 5e9b3e60ca23590001c2229f

UUID: 4d899df0-63cb-0138-313d-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 4 лет назад

Просмотры: 6

186.24

Артем Савиковский

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 658,9 КБ

Поделиться работой

УДК 539.3, 620.178.38 А.В. Савиковский1, А.С. Семенов1, Л.Б. Гецов2 1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого 2 ОАО «НПО ЦКТИ» КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОРСЕТНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ ТЕРМОУСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ДЕТАЛИЗАЦИИ ЕГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ Прогнозирование ресурса элементов газотурбинных установок (ГТУ) является актуальной для практики задачей. Рабочие температуры элементов ГТУ могут достигать высоких значений и циклически изменяться во времени. В связи с этим становятся актуальными задачи исследования усталостной и термоусталостной прочности [1,2] материалов и элементов ГТУ, например, рабочих и направляющих лопаток [3] в авиационных двигателях. В последнее время для изготовления лопаток ГТУ используются жаропрочные моно- и поликристаллические сплавы, состоящие из раствора никеля (-фазы) и упрочняющей  -фазы на основе интерметаллида Ni3Al, такие как ВЖМ4, ЖС32, ЖС36, ВИН3, ЖС6Ф и т.д. Для исследования термоусталостной прочности указанных материалов проводятся эксперименты на плоских корсетных образцах на установке, разработанной в НПО ЦКТИ (рис. 1) [4]. Рис. 1. Установка для проведения экспериментов на термическую усталость Рис. 2. Геометрия корсетного образца для термоусталостных испытаний Рис. 3. Схематическое представление изменения температуры в центральной точке образца Рис. 4. Экспериментально определенное распределение температуры вдоль оси образца 139

Зафиксированные при помощи двух болтов корсетные образцы (рис. 2) периодически нагреваются пропусканием электрического тока. Форма корсетных образцов обеспечивает условие отсутствия потери устойчивости при сжатии. Максимальная и минимальная температуры цикла поддерживаются постоянными (рис. 3). Экспериментально определенное при помощи 7 термопар распределение температуры вдоль оси образца, отсчитываемое от его центральной точки, показано на рис. 4. При проведении конечно-элементных (КЭ) расчетов рассматривались образцы из различных моно- и поликристаллических материалов. Результаты представленные ниже соответствуют поликристаллическому сплаву ЖС6У [3]. Болты и оснастка выполнены из стали. При моделировании процессов неупругого деформирования и разрушения корсетного образца, наблюдаемых в экспериментах, учитывалось неоднородное нестационарное изменение температуры образца, контакты между болтами и образцом, между болтами и оснасткой, трение между поверхностями контакта, температурная зависимость всех параметров материала, температурное расширение в образце и возможность пластического деформирования образца. Задача решалась в дух постановках: с учетом оснастки и без учета оснастки (упрощенная формулировка [5]). Использование последней аттрактивно при проведении многовариантных серийных расчетов для различных режимов нагружения и кристаллографической ориентаций в целях существенной экономии времени счета. Целью работы являлся подбор расчетной длины образца в упрощенной постановке. Валидность использования упрощенной формулировки основана на сравнении с результатами моделирования напряженно-деформированного состояния с учетом оснастки, а также на сравнении с измеряемыми в экспериментах относительных перемещений двух маркеров. При решении задачи с учетом оснастки рассматривалась четверть конструкции в силу симметрии по плоскостям xz и yz (рис. 5). Оснастка и болты моделировались линейноупругим материалом (сталь), а для образца использовалась упруго–пластическая модель материала, все свойства которой зависят от температуры. Задача решалась в трехмерной, квазистатической постановке. В качестве граничных условий задавались условия симметрии: нулевые перемещения по оси y на плоскости xz и по оси x на плоскости yz. На нижней стороне оснастки задавались нулевые перемещения по осям x и z. На шляпку болта задавалось давление 50 МПа, эквивалентное усилию затяжки болта. В упрощенной постановке (рис. 6) рассматривается только образец без оснастки, в котором задавались нулевые перемещения на плоскостях симметрии xz и yz, внешняя грань образца параллельная плоскости симметрии xz была зафиксирована в направлении оси x. Для исключения твердотельных движений также фиксировался ряд точек на этой грани в направлении осей y и z. Образец y z Оснастка Болт Рис. 5. КЭ модель с учетом оснастки 140 x Рис. 6. КЭ модель без учета оснастки (в упрощенной постановке)

В ходе проведения многовариантных вычислительных экспериментов с различными длинами упрощенных моделей образцов было установлено, что наилучшего совпадения удается достичь при длине 26 мм. Результаты сравнения прогнозов двух моделей для нагрева до 900оС представлены на рис. 7-9. Наблюдается удовлетворительное совпадение. а) б) Рис. 7. Осевые перемещения [м] в образце при 900⁰С для моделей: а) с оснасткой, б) без оснастки а) б) Рис. 8. Осевые напряжения [МПа] в образце при 900⁰С для моделей: а) с оснасткой, б) без оснастки а) б) Рис. 9. Осевые пластические деформации в образце при 900⁰С для моделей: а) с оснасткой, б) без оснастки В дальнейшем планируется произвести проверку полученной эффективной длины упрощенной модели образца для других температурных режимов, материалов, в том числе и для монокристаллов различной кристаллографической ориентации. Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РФФИ № 15-08-08779 и стипендиальной программы Siemens. ЛИТЕРАТУРА: 1. Гецов Л.Б., Семенов А.С. Критерии разрушения поликристаллических и монокристаллических материалов при термоциклическом нагружении // Труды НПО ЦКТИ. 2009. Вып. 296. C. 83-91. 2. Getsov L.B., Semenov A.S., Ignatovich I.A. Thermal fatigue analysis of turbine discs on the base of deformation criterion // International Journal of Fatigue. 2017. Vol. 97. С. 88-97. 3. Гецов Л.Б., Михайлов В.Е., Семенов А.С., Кривоносова В.В., Ножницкий Ю.А., Блинник Б.С., Магеррамова Л.А. Расчетное определение ресурса рабочих и направляющих лопаток ГТУ. Часть 2. Монокристаллические материалы // Газотурбинные технологии. 2011. № 8. С. 18-25. 4. Гецов Л.Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. -М.: Недра, 1996. -C. 189-193. 5. Май Ш., Семенов А.С. Моделирование процессов неупругого циклического деформирования монокристаллических образцов // Материалы XXXIX Недели науки СПбГПУ. 2010. Ч. V. С. 73-74. 141

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв