Механические факторы нагружения
В случае решения задачи по механике деформируемого твердого тела необходимо задание условия закрепления и нагрузок. При расчете диска на установившемся взлетном режиме задаем контурную нагрузку, которая заменяет реакцию от центробежных сил и угловую скорость, соответствующую оборотам ротора ВД на этом режиме.
Контурная нагрузка:
где 
число лопаток рабочего колеса;
напряжение в корневом сечении пера лопатки, МПа;
площадь корневого сечения лопатки, 
плотность материала ЭП-742, 
площадь радиального сечения разрезной части обода, 
;
радиус до центра тяжести разрезной части обода, м;
радиус до разрезной части обода, м;
ширина разрезной части обода, м;
окружная скорость диска, рад/с:
где 
частота вращения диска, об/с;
Статический расчет на прочность
Открываем сохраненную модель диска с валами. Задаем вид расчета – статический (STATIC), тип элементов - четырехузловой PLANE182. В опциях элемента задаем осесимметричность.
Создаем сетку. Сетка приведена на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 – Сетка конечных элементов
Прикладываем контурную нагрузку 231,2 МПа, задаем окружную скорость 1497,5 рад/с. Закрепляем модель от перемещений вдоль оси вращения. Проводим расчет. Результаты расчета приведены на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Поле эквивалентных напряжений
Так как диск с валами соединен болтом, то при расчете максимальных напряжений в отверстии нужно учитывать коэффициент концентрации.
Таблица 3.1 – Напряжения в характерных точках отверстия под болт
| Номер узла | Максимальное напряжение в модели, Па | Коэффициент концентрации | Действующие напряжения, Па |
| 2,45 | 
| |
| 2,45 | 
| |
| 2,45 | 
|
ТЕПЛОВОЙ СТАЦИОНАРНЫЙ РАСЧЕТ НА МАКСИМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ
Открываем сохраненную модель диска с валами. Задаем вид расчета – термический (THERMAL), тип элементов - четырехузловой PLANE55. В опциях элемента задаем осесимметричность.
Расчет граничных условий:
1) Задание температуры среды:
2) Расчет коэффициента теплоотдачи:
Рассчитанные значения ГУ занесены в таблицу 4.1
Таблица 4.1 – Значение ГУ на участках диска
| N | R, м | U, м/с | Tcp, C | μ, Па*с | λ, Вт/м*К | Re | Nu | α, Вт/м3*К*час | Е, Мпа |
| 0,06736 | 100,8 | 2,75E-05 | 0,0403 | 3,60E+06 | 3640,98 | 1,829E+11 | |||
| 0,10277 | 153,8 | 2,76E-05 | 0,0405 | 8,23E+06 | 7052,92 | 1,822E+11 | |||
| 0,15156 | 226,8 | 2,79E-05 | 0,0410 | 1,72E+07 | 12744,89 | 1,808E+11 | |||
| 0,20545 | 307,5 | 2,84E-05 | 0,0418 | 2,99E+07 | 19818,50 | 1,786E+11 | |||
| 0,25798 | 386,1 | 2,90E-05 | 0,0428 | 4,41E+07 | 26987,26 | 1,756E+11 | |||
| 0,28027 | 419,5 | 2,93E-05 | 0,0433 | 5,03E+07 | 30001,64 | 1,741E+11 | |||
| 0,29053 | 434,8 | 2,94E-05 | 0,0436 | 5,32E+07 | 31371,25 | 1,734E+11 | |||
| 0,25676 | 384,3 | 2,90E-05 | 0,0428 | 4,37E+07 | 26821,13 | 1,757E+11 | |||
| 0,19286 | 288,7 | 2,82E-05 | 0,0416 | 2,68E+07 | 18121,74 | 1,792E+11 | |||
| 0,15403 | 230,5 | 2,79E-05 | 0,0411 | 1,78E+07 | 13055,32 | 1,807E+11 | |||
| 0,09633 | 144,2 | 2,76E-05 | 0,0405 | 7,26E+06 | 6379,06 | 1,824E+11 | |||
| 0,10213 | 152,9 | 2,76E-05 | 0,0405 | 8,13E+06 | 6985,00 | 1,823E+11 | |||
| 0,06572 | 98,4 | 2,75E-05 | 0,0403 | 3,43E+06 | 3502,06 | 1,829E+11 |
Полученные коэффициенты теплоотдачи и температуры среды прикладываем к линиям соответствующим поверхностям деталей. Результаты расчета представлены на рисунке 4.1
Рисунок 4.1 – Поле температур на максимальном режиме
5. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ, С УЧЕТОМ СТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛА
Проводим расчет аналогичный тому, который описан в пункте 4.
Далее меняем вид расчета с термического на стационарный, тип элемента с PLANE55 на PLANE182. Во вкладке Preprocessor-Element Type-Switch Elem Type выбираем Thermal to Structural. Задаем температуру, рассчитанную в термической части данного расчета: Define Loads-Apply-Thermal-From Therm Analy выбираем файл с именем рабочего файла и расширением rth. Задаем контурную нагрузку, обороты и закрепление и проводим расчет. Результаты расчета приведены на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 – Термонапряженное состояние диска
Так как диск с валами соединен болтом, то при расчете максимальных напряжений в отверстии нужно учитывать коэффициент концентрации.
Таблица 5.1 – Напряжения в характерных точках отверстия под болт
| Номер узла | Максимальное напряжение в модели, Па | Коэффициент концентрации | Действующие напряжения, Па |
| 2,45 | 
| |
| 2,45 | 
| |
| 2,45 | 
|
6. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ, С УЧЕТОМ СТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛА В SOLID WORKS
В программе Solid Works была построена сборка диска с валами КВД и ТНД. Далее создан сегмент с 
. К построенной модели приложили граничные условия и провели термический расчет.
Используя данные проведенного термического расчета, провели структурный, задавшись частотой вращения, контурной нагрузкой на ободе диска и закрепив модель от перемещений.
Результаты расчета представлены на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 – Расчет напряженного состояния в Solid Works
Таблица 6.1 – Напряжения в характерных точках отверстия под болт
| Номер узла | Действующие напряжения, Па |
| |
| |
|
Напряжения в характерных точках, рассчитанные в программах ANSYS и SOLID WORKS различаются, так как в программе SOLID WORKS для расчета была использована трехмерная модель, а в программе ANSYS двухмерная.
7. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ
Открываем сохраненную модель диска с валами. Задаем вид расчета – термический (THERMAL), тип элементов - четырехузловой PLANE55. В опциях элемента задаем осесимметричность.
Рисунок 7.1 – Расчетная схема нестационарного режима
Рисунок 7.2 – Изменение температуры газа в зависимости от частоты вращения
Исходные данные для расчета:
1 участок – Земной малый газ – 840с
| N | T, С | Коэф.теплоотдачи |
2 участок – Переходной участок – 10с
| N | T | Коэф.теплоотдачи |
3 участок – Взлетный режим – 240с ГУ аналогичные переходному режиму.
Во вкладке Solution-Analysis Type выбираем Transient. Далее там же Sol’n Control. Задаем параметры расчета первого участка:
- время окончания расчета 840с;
- временной шаг 10с;
- характер приложения нагрузки – ступенчато (Stepped);
- запись каждого расчетного шага;
Далее прикладываем температурные нагрузки.
Записываем параметры первого участка Load Step Opts-Write LS File-1.
Далее Sol’n Control. Задаем параметры расчета второго участка:
- время окончания расчета 850с;
- временной шаг 1с;
- характер приложения нагрузки – линейно (Ramped);
- запись каждого расчетного шага;
Далее прикладываем температурные нагрузки.
Записываем параметры второго участка Load Step Opts-Write LS File-2.
Далее Sol’n Control. Задаем параметры расчета третьего участка:
- время окончания расчета 1090с;
- временной шаг 10с;
- характер приложения нагрузки – ступенчато (Stepped);
- запись каждого расчетного шага;
Далее прикладываем температурные нагрузки.
Записываем параметры третьего участка Load Step Opts-Write LS File-3.
Проводим расчет Solve-From LS Files. Задаем первый LS файл – 1, последний LS файл – 3 и шаг расчета 1 – считать каждый LS файл.
Результаты расчета приведены на рисунке 7.3.
Рисунок 7.3 – Поле температур
Рисунок 7.4 – График изменения температуры со временем на ступице
(узел 445) и на ободе диска(узел 617)
8. РАСЧЕТ ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
Проводим расчет аналогичный тому, который был проведен в пункте 7.
Далее меняем вид расчета с термического на стационарный, тип элемента с PLANE55 на PLANE182. Во вкладке Preprocessor-Element Type-Switch Elem Type выбираем Thermal to Structural. Во вкладке Solution-Loads Step Opts выбираем Read From File. Считываем первый участок – записываем 1.
Задаем температуру, рассчитанную в термической части данного расчета: Define Loads-Apply-Thermal-From Therm Analy-выбираем файл с именем рабочего файла и расширением rth - указываем 1 LS файл. Задаем контурную нагрузку, обороты и закрепление. Записываем параметры первого участка Load Step Opts-Write LS File-1.
Аналогично два других участка и проводим расчет Solve-From LS Files. Задаем первый LS файл – 1, последний LS файл – 3 и шаг расчета 1 – считать каждый LS файл.
Результаты расчета приведены на рисунке 8.1.
Рисунок 8.1 – Поле напряжений
Рисунок 8.2 – График изменения напряжений со временем на ступице
(узел 446), в районе болта(узел 1914) и на ободе диска(узел 616)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были проведены расчеты напряженно-деформированного и термонапряженного состояния диска в статике и динамике. Получено из статического расчета на прочность поле эквивалентных напряжений с максимальными значениями 1540МПа, в районе под нижним лабиринтным кольцом. В результате стационарного анализа термонапряженного состояния получено поле температур с максимальным значением 581oС в замковой части диска, а также эквивалентные напряжения с максимальным значением 1770МПа. Был проведен нестационарный анализ термонапряженного состояния и получены графики изменения температуры и напряжений по времени в трех точках: в замковой части, средней и в отверстии диска.