close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

41.Моделирование теплонапряженного состояния деталей энергетических установок с использованием программного комплекса ANSYS

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
А.Н. Арбеков, К.С. Егоров
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОГО
СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
ANSYS
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
по курсу «Вычислительная теплопередача
и гидродинамика»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.3
ББК 31.2
А79
Рецензент Л.Л. Мягков
А79
Арбеков А.Н.
Моделирование теплонапряженного состояния деталей
энергетических установок с использованием программного
комплекса ANSYS : метод. указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Вычислительная теплопередача и
гидродинамика» / А.Н. Арбеков, К.С. Егоров. – М. : Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. – 13, [3]с. : ил.
Рассмотрено численное моделирование термопрочностного состояния диска газовой турбины в двумерной осесимметричной постановке с применением программного комплекса ANSYS.
Для студентов 5-го курса факультета «Энергомашиностроение».
УДК 621.3
ББК 31.2
Учебное издание
Арбеков Александр Николаевич
Егоров Кирилл Сергеевич
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА ANSYS
Редактор О.М. Королева
Корректор М.А. Василевская
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
Подписано в печать 10.06.2010. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Изд. № 110.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.
c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Распределение напряжений в конструктивных элементах энергетических установок и двигателей в условиях эксплуатации является одним из важных этапов в процессе их создания и доводки.
От достоверности и точности расчетов зависят экономичность, надежность и ресурс работы энергетических установок и двигателей
в целом.
Существуют различные методы решения данной задачи, в том
числе численное решение исходных уравнений, известных из курса
«Конструирование и расчет на прочность деталей газотурбинных
и комбинированных установок» с помощью ЭВМ (применительно
к деталям газотурбинных установок и двигателей).
Среди множества численных методов наибольшее распространение для термопрочностных расчетов получил метод конечных
элементов (МКЭ) — один из наиболее эффективных современных
методов численного решения инженерных задач благодаря своей
простоте, наглядности, универсальности и алгоритмичности.
Применение МКЭ позволяет учесть особенности конструкции
элементов узлов энергетических установок и двигателей, локальные свойства материала, сложные граничные и начальные условия,
точно учесть геометрию детали энергомашиностроительных изделий (например, фаски, скругления и т. д.).
Метод конечных элементов используется и для определения
температурных полей, и для нахождения напряженно-деформированного состояния деталей, в этих случаях расчеты выполняются
с применением одной сетки, что является важным преимуществом
метода.
Существует множество программных комплексов CAE (Computer Aided Engineering) — ANSYS, NASTRAN и др., предназначенных для расчетов методом МКЭ. Эти комплексы обладают ши3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рокими возможностями для решения задач термонапряженного состояния и их адаптации к конкретной расчетной задаче. К этим возможностям относятся [1]: связь с современными системами геометрического моделирования — CAD (Computer Aided Design); обмен
трехмерными моделями элементов конструкции; автоматическое
разбиение на конечные элементы и их адаптация; большой выбор
типов конечных элементов, задание нелинейных свойств материала (в табличной или аналитической форме); расчет за пределами
упругих линейных деформаций; учет ползучести; широкий выбор
нагрузок; решение контактных задач; расчет критических частот
колебаний; расчет на устойчивость и т. д.
Теоретические основы метода МКЭ изложены в работах [2, 3].
При необходимости за дополнительной информацией можно обратиться, например, к работам [4, 5].
В методических указаниях рассматривается расчет с помощью
МКЭ диска газовой турбины с использованием пакета прикладной
программы ANSYS в сравнении с методом двух расчетов [6].
Авторы выражают благодарность И.Г. Суровцеву за ценные советы и замечания.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим применение пакета прикладной программы
ANSYS к задаче определения напряжений в осесимметричном
диске газовой турбины. Рассчитаем поле напряжений диска газовой турбины в двумерной осесимметричной постановке с нагрузками, возникающими из-за вращения, от действия лопаток и
неравномерного нагрева диска. Эскиз диска приведен на рис.1.
Исходные данные для расчета: температура диска у втулки —
T0 = 700 K; температура диска на ободе Tм = 340 K; контурное давление от лопаток pм = 140 МПа; угловая скорость ω =
= 942 рад/с−1 .
Распределение температуры по радиусу диска определяем по
формуле
R − R0 2
T (R) = T0 + (Tм − T0 )
,
Rм − R0
где T , R — текущие значения температуры и радиуса; T0 — температура диска у втулки; R0 — радиус диска у втулки; Tм — температура
диска на ободе; Rм — радиус диска на ободе.
Свойства материала диска: плотность ρ = 8200 кг/м3 ; коэффициент линейного расширения материала α (T ) = 19, 75 ∙ 10−6 +
+ 3, 83 ∙ 10−9 (T − 473) К−1 ; модуль упругости E (T ) = [1, 619 −
−2, 26 ∙ 10−4 (T − 473)] ∙ 1, 5 ∙ 105 МПа; коэффициент Пуассона
μ (T ) = 0, 317 + 0, 21 ∙ 10−3 (T − 473).
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Эскиз диска газовой турбины
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
В общем случае решение сводится к выполнению следующих
этапов:
1) построение геометрической модели диска средствами препроцессора МКЭ ANSYS или передача построенной модели в
какой-либо CAD-системе в препроцессор МКЭ ANSYS;
2) определение типа элемента, характеристик элемента и материала;
3) создание сетки конечных элементов;
4) задание граничных условий (нагрузок, закреплений и т. д.);
5) выполнение расчета;
6) просмотр и анализ результатов;
7) изменение расчетной сетки конечных элементов и повторный расчет (при необходимости).
Ниже последовательно описывается выполнение перечисленных этапов.
Этапы реализуются в трех модулях программы: препроцессор
(этапы 1—4), решатель (этап 5) и постпроцессор (этап 6).
2.1. Построение геометрической модели
Построение геометрической модели в системе ANSYS возможно двумя способами: первый — это использование стандартных
средств препроцессора ANSYS; второй – импортирование созданной в другой системе геометрической модели.
Отметим сразу, что в пособии описана последовательность действий с помощью стандартных средств препроцессора ANSYS, а
использование созданной геометрической модели не рассматривается. При необходимости более подробно с данным вопросом
можно ознакомиться в работе [4].
Следует указать особо, что ось вращения модели в программе
ANSYS — ось Y . C учетом этого построенную модель требуется повернуть на 90◦ . Необходимо также помнить, что координаты
X элементов модели будут восприниматься как радиусы. Поэтому в модели не может быть точек с отрицательными значениями
координаты X.
Построим точки c помощью активной системы координат. По
умолчанию используется декартова система координат. Для этого
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Нумерация точек для построения геометрической модели
необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши по пунктам меню
в такой последовательности: Preprocessor→Create→Keypoints→
→In Active CS.
Введем в окне координаты 1-й точки: 0; 0.01; 0. Месторасположение точек показано на рис. 2. Номер точки можно не указывать, система будет последовательно нумеровать вводимые точки.
Нажмем кнопку Apply. Повторим эту операцию для всех оставшихся точек с координатами, указанными в табл. 1. После введения
координат последней точки нажмем кнопку OK.
Таблица 1
Координаты точек
8
№ п/п
Номер
точки
X, м
Y, м
Z, м
1
1
0
0.01
0
2
2
0.005
0.007
0
3
3
0.008
0.007
0
4
4
0.008
0.004
0
5
5
0.007
0.004
0
6
6
0.007
0
0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 1
№ п/п
Номер
точки
X, м
Y, м
Z, м
7
7
0.029
0.009
0
8
8
0.043
0.003
0
9
9
0.065
0.003
0
10
10
0.065
0
0
11
11
0.069
0
0
12
12
0.071
0.008
0
13
13
0.078
0.013
0
14
14
0.089
0.013
0
15
15
0.089
0.018
0
16
16
0.119
0.016
0
17
17
0.124
0.004
0
18
18
0.125
0.004
0
19
19
0.125
0.011
0
20
20
0.14
0.017
0
21
21
0.14
0.041
0
22
22
0.125
0.047
0
23
23
0.125
0.054
0
24
24
0.124
0.054
0
25
25
0.119
0.042
0
26
26
0.079
0.046
0
27
27
0.072
0.058
0
28
28
0.071
0.058
0
29
29
0.071
0.066
0
30
30
0.065
0.066
0
31
31
0.065
0.055
0
32
32
0.043
0.055
0
33
33
0.029
0.049
0
34
34
0.007
0.058
0
35
35
0
0.058
0
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Построим линии, используя полученные точки. Указывать точки можно в любой последовательности попарно, двигаясь в любую
сторону (по ходу или против хода часовой стрелки) и начиная с
любой точки. Для этого щелкнем левой кнопкой мыши по пунктам
меню в такой последовательности: Preprocessor→ Create→Straight
line.
Создадим дуги окружностей по двум конечным точкам и радиусу. В нашем случае имеем четыре дуги с радиусами 0,012;
0,039 и 0,043 м соответственно (см. рис. 2). Прежде чем строить дуги окружности, необходимо ввести четыре вспомогательные точки. В этих точках расположены центры дуг окружностей. Щелкнем левой кнопкой мыши в такой последовательности:
Preprocessor→Create→Keypoints→In Active CS. Координаты точек:
0.0325 –0.002 — 1-я точка; 0; 0.0325; 0.06; 0 — 2-я точка; 0.102;
–0.019; 0 — 3-я точка; 0.103; –0.082; 0 — 4-я точка. Для построения
дуг окружностей щелкнем левой кнопкой мыши по пунктам меню
в такой последовательности Preprocessor→Create→Lines→Arcs→
→By End KPs & Rad. В результате введем три точки подряд: две
конечные точки дуги окружности и точку центра окружности.
Далее нажмем на кнопку OK. Появится следующее окно. Введем
в поле Radius of the arc значение радиуса 0,012 м. Повторим эту
операцию для трех оставшихся дуг окружностей.
Создадим из полученных линий поверхность. Указывать линии можно в любой последовательности, главное, чтобы получился замкнутый контур. Для этого щелкнем левой кнопкой мыши
по пунктам меню в последовательности Preprocessor→Create→
→Arbitrary →Areas→By lines.
2.2. Определение типа, характеристик конечного элемента,
свойств материала диска
Выберем тип конечного элемента. Для этого щелкнем левой
кнопкой мыши по пунктам меню в такой последовательности:
Preprocessor→Element type→Add/Edit/Delete. Нажмем на кнопку Add. . . . Выберем двумерный четырехугольный мультиплексэлемент с помощью левой кнопки мыши в такой последовательности: Structural→Solid→8node 82. Чтобы использовать осесимметричный конечный элемент, в ANSYS необходимо выбрать соответствующую систему координат для конечного элемента. Для
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
этого в меню Element Types выберем пункт Options и далее вместо
опции Plane stress опцию Axisymmetric.
Зададим свойства материала диска. Все значения величин задаются в единицах Си. Для этого щелкнем левой кнопкой мыши по
пунктам меню в такой последовательности: Preprocessor→Material
Props→Material Models. В появившемся окне выберем опцию
Structural→Density и введем значение плотности, равное 8200 кг/м3 .
Зададим значения модуля упругости и коэффициента Пуассона. Для этого щелкнем левой кнопкой мыши по пунктам меню в
последовательности: Structural→Linear→Elastic→ Isotropic.
Зависимость от температуры задается в виде таблицы c помощью кнопки Add Temperature.
Зададим значение модуля линейного расширения материала.
Для этого щелкнем левой кнопкой мыши по пунктам меню в последовательности Structural→Thermal Expansion→Linear→ Secant
Coefficient→Isotropic.
Зависимость от температуры задается также с помощью кнопки
Add Temperature. Кроме того, необходимо задать значение относительной температуры, равное 273 K в окне Reference Temperature.
Значения модуля упругости, коэффициента Пуассона и модуля линейного расширения материала в зависимости от температуры приведены в табл. 2.
Таблица 2
Зависимость модуля упругости, коэффициента Пуассона и модуля
линейного расширения материала от температуры
№ п/п
T, K
α, K−1
E, Па
μ
1
273
0.000018984
2.4963E+11
0.275
2
373
0.000019367
2.4624E+11
0.296
3
473
0.00001975
2.4285E+11
0.317
4
573
0.000020133
2.3946E+11
0.338
5
673
0.000020516
2.3607E+11
0.359
6
773
0.000020899
2.3268E+11
0.380
7
873
0.000021282
2.2929E+11
0.401
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.3. Создание сетки конечных элементов
Для создания сетки откроем соответствующее меню Mesh tools.
Для этого щелкнем левой кнопкой мыши по пунктам меню в такой последовательности: Preprocessor→Meshing→Mesh Tools. Для
автоматического разбиения на конечные элементы применим процедуру SmartSize [4]. Поставим галочку в меню создания сетки
для использования процедуры SmartSize. Управляя движком, можно менять густоту сетки от 10 (крупная) до 1 (мелкая). Нажмем
кнопку Mesh и укажем созданную поверхность.
2.4. Задание граничных условий
Зададим значения контурного давления от лопаток [7]. Для этого щелкнем левой кнопкой мыши по пунктам меню в последовательности Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→On lines. В соответствии с постановкой задачи контурное давление от лопаток на ободе диска pм = 140 ∙ 106 Па.
Зададим распределение температуры по диску для вычисления температурных деформаций диска. Для этого щелкнем
левой кнопкой мыши по пунктам меню в последовательности
Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Temperature→On Areas. В открывшемся окне выберем опцию New Table
вместо опции Constant Value. Далее в появившихся окнах укажем
название таблицы, размер и переменную X для строк таблицы.
Нажмем кнопку OK. В появившейся таблице зададим расстояние
по оси X, которое в данном случае является значением радиуса и
соответствующим ему значением температуры. После заполнения
таблицы последовательно щелкнем левой кнопкой мыши по меню:
File→Apply/Quit. Значения температуры диска в зависимости от
радиуса приведены в табл. 3.
Зададим угловую скорость вращения диска. Для этого щелкнем
левой кнопкой мыши по пунктам меню в такой последовательности: Preprocessor→ Loads→Define Loads→Apply→Structural→
→Inertia→Angular Veloc→Global. Задается угловая скорость вращения вокруг оси Y в рад/с (см. рис. 2). Для этой задачи значение
угловой скорости вращения равно ω = 942 рад/с.
Закрепим диск в осевом направлении (по оси Y ). Для этого
щелкнем левой кнопкой мыши по пунктам меню в последователь12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3
Зависимость температуры от радиуса диска
№ п/п
R, м
Т, K
1
0
700
2
0.007
699.1
3
0.014
696.4
4
0.021
691.9
5
0.028
685.6
6
0.035
677.5
7
0.042
667.6
8
0.049
655.9
9
0.056
642.4
10
0.063
627.1
11
0.070
610
12
0.077
591.1
13
0.084
570.4
14
0.091
547.9
15
0.098
523.6
16
0.105
497.5
17
0.112
469.6
18
0.119
439.9
19
0.126
408.4
20
0.133
375.1
21
0.140
340
ности Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→
→Displacement→On Keypoints. Укажем на модели верхнюю левую
точку, далее в появившемся окне — направление UY и значение
перемещения, равное нулю.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.5. Выполнение расчета
Решим сформированную задачу. Для этого щелкнем левой
кнопкой мыши по пунктам меню в такой последовательности:
Solution→Solve→Current LS.
2.6. Просмотр и анализ результатов
Просмотр и последующий анализ результатов удобно проводить в виде распределения напряжений, перемещений. Для этого
щелкнем левой кнопкой мыши по пунктам меню в такой последовательности: General Postproc→ Plot Results→Nodal Solution. В
появившемся окне выберем напряжения (Stress) по оси X, Z и
эквивалентные напряжения Von Mises. Выберем необходимое напряжение и нажмем кнопку ОК.
Сохранить полученное решение в виде графического файла
можно с помощью щелчков левой кнопкой мыши по следующим пунктам меню: Pltcntr→Capture Image. . . (формат bmp) или
Pltcntr→Write Metafile (формат emf).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1. Норенков И.П. Информационная поддержка наукоемких изделий: CALS-технологии / И.П. Норенков, П.К. Кузьмик. М.: Изд-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 320 с.
2. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов : пер.
с англ. / Л. Сегерлинд. М. : Мир, 1979. 405 c.
3. Зенкевич О.С. Конечные элементы и аппроксимация / О.С. Зенкевич, К. Морган. М. : Мир, 1986. 318 с.
4. ANSYS User Guide, Ansys Inc. 2008. http:ru www.ansys.com
5. Чигарев А.С. ANSYS для инженеров : справ. пособие / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. М.: Машиностроение-1, 2004.
512 с.
6. Малинин Н.Н. Прочность турбомашин / Н.Н. Малинин. М. :
Машгиз, 1962. 346 с.
7. Манушин Э.А. Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и комбинированных установок : учеб. пособие
для машиностроит. спец. вузов / Э.А. Манушин, И.Г. Суровцев ; под
ред. Н.Н. Малинина. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Алгоритм решения задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Построение геометрической модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Определение типа, характеристик конечного элемента,
свойств материала диска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Создание сетки конечных элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Задание граничных условий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Выполнение расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Просмотр и анализ результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5
7
7
10
12
12
14
14
15
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа