Применение технологий конечно-элементного моделирования и

анализа при проектировании современных газотурбинных

двигателей и энергосиловых установок

Широбоков В.В, технический эксперт, MSC Software

Решаемые задачи• Задачи анализа линейных динамических процессов

• Расчет собственных частот

• учет предварительного нагружения

• Расчет критических скоростей, определение частот и видов прецессии, границ устойчивости роторных систем

• учет скольжения роторов для многовальных роторных систем

• учет внешнего и внутреннего демпфирования

• учет податливости корпусных элементов конструкции - статора и т.д.

• Расчет частотного отклика

• учет влияния дисбаланса,

• Расчет линейных динамических переходных процессов

• учет демпфирования и конструктивных особенностей данного изделия

• Задачи анализа нелинейных динамических процессов, в т.ч. высоконелинейных быстропротекающих

процессов ударного характера• Расчет нелинейных динамических характеристик роторных систем, моделирование нестационарного перехода ротора через критические числа оборотов

• учет контактного взаимодействия

• учет влияния дисбаланса

• учет температурного нагружения

• учет внешнего силового и кинематического воздействия

• различные скоростные режимы,

• изменение условий нагружения по времени

• учет различных видов демпфирования

• Моделирование высоконелинейных динамических процессов при обрыве лопатки, попадании птицы в двигатель, потере несущей способности опор, заклинивании

ротора и т.п.. Определение степени разрушения элементов конструкции двигательной установки

• учет преднагруженного напряженно-деформированного состояния компонентов роторных систем

• учет контактного взаимодействия различных компонентов ДУ

• учет температурного нагружения

• учет внешнего силового и кинематического воздействия

• учет влияния дисбаланса

• учет различных видов демпфирования

• учет различных критериев разрушения

• Задачи расчета отклика конструкции на случайные динамические воздействия• Определение спектральной плотности мощности или энергии и накопленного среднеквадратичного отклонения случайных величин.

Специальные вопросы расчетного моделирования ГТД и энергосиловых

установок

• Комплексное моделирование обрыва лопатки ротора и последующий динамический анализ роторных систем с изменившимися массово-инерционными характеристиками в составе ДУ

• Моделирование попадания птицы в двигатель

• Лагранжевы элементы (MD Nastran, Dytran)

• Эйлеровы элементы (MD Nastran, Dytran)

• SPH метод (MD Nastran, LS-Dyna)

• Оценка несущей способности опор (MD Nastran, MD Adams, MSC Dytran)

• Задачи оптимизации (MD Nastran, MD Adams)

• Расчет роторных систем на случайное динамическое воздействие

• MD Nastran+MSC Random

• Тепловой анализ, моделирование систем охлаждения ГТД с учетом всех видов теплообмена, характера течения охлаждающей жидкости и гидравлических потерь

• MD Nastran

• Patran Thermal

• MSC Sinda

• Связанный тепло-прочностной анализ элементов конструкции ДУ

• MSC Marc, MD Nastran

MD NASTRAN SOL400

• Функциональные возможности

• Комбинация различных SUBCASE, STEP, ANALYSIS и команд

NLIC обеспечивает механизм для приложения различных

типов нагрузок, управления независимыми вариантами

нагружения, и одновременного запуска различных видов

расчета в рамках одного ANALYSIS JOB.

• Основные цели

• Это свойство MD NASTRAN SOL400 дает пользователю

возможность проведения многовариантного нагружения

исследуемой конструкции и одновременного выстраивания

цепочки различных видов анализа.

• Пользовательские сценарии

• При проведении расчета переходного процесса можно

использовать результаты статического анализа в качестве

преднагрузки

• Расчет собственных частот и форм можно проводить с

учетом нагрузок, полученных в результате расчета

переходного процесса

• Анализ теплопередачи следует за структурным анализом

• Команда ANALYSIS в SOL 400 определяет тип расчета, который будет проведен.

ANALYSIS = ‘analysis type’

• В MD NASTRAN, следующие типы анализа могут быть проведены в рамках единого Analysis Job :

• NLSTATICS – Nonlinear static analysis

• NLTRAN – Nonlinear transient analysis

• STATICS – Linear static analysis

• MODES – Normal modes analysis

• DCEIG – Direct complex eigenvalue analysis

• MCEIG – Model complex eigenvalue analysis

• HSTAT – Steady state heat transfer analysis

• HTRAN – Transient heat transfer analysis

Специальные вопросы расчетного моделирования ГТД и энергосиловых

установок

• Моделирование опор высокоскоростных или “малых” турбомашин –

турбодетандеров, турбокомпрессоров, турбогенераторов, а также высокочастотных

бесконтактных электродвигателей, гироскопов и т.п.

• Гидродинамические подшипники

• Гидростатические подшипники

• Газодинамические подшипники лепесткового типа (ЛГП)

• Газостатические подшипники

• Магнитные подшипники

Что можно получить в результате расчета

• 2D-3D дискретная и непрерывная анимация

• Вывод НДС конструкции по узлам, элементам, группам

• Визуализация пластических деформаций

• Вывод потенциальной и кинетической энергии деформации

для каждого из роторов в модели

• Вывод распределения энергии или мощности по диапазону частот

• Диаграмма Кэмпбелла

• Амплитудно-частотные характеристики

• Временные сигналы

• Орбиты движения узлов модели после нестационарного анализа

• Вибрационные спектры

• И многое другое……………

Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran

• Элементы CELAS, CBUSH1D и CBUSH2D являются обобщенными упруго-демпферными элементами, которые используются в MD Nastran для моделирования опор

• Особенности элементов типа CBUSH

• Нелинейное представление жесткости

• Возможность задания зависимости “сила-перемещение”

• Нелинейное представление демпфирующих свойств

• Возможность задания зависимости “сила – скорость”

• Способность терять жесткость при достижении:

a. Предельных нагрузок b. Максимальных относительных деформаций при

растяжении или сжатии

• Включение геометрической нелинейности и больших перемещений по вращательным степеням свободы

• Возможность задания радиальных и перекрестных зависимостей перемещения от силы

Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran

• CELAS – позволяет моделировать одномерные пружины и демпферы, имеющие

жесткости по одной из с.с., указанных пользователем

• CBUSH1D – позволяет моделировать пружины и демпферы, а также задавать свойства по

всем 6-ти степеням свободы для каждого элемента

• CBUSH2D – позволяет моделировать двумерные упруго-демпферные опоры с

определением жесткостных и демпфирующих характеристик в двух взаимно-

перпендикулярных плоскостях

• Элементы типа CBUSH позволяют моделировать подшипниковые узлы с наличием

частотно-зависимых жесткостей

• Элементы CBUSH2D позволяют вводить

более сложные зависимости для жесткостей опор

Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran (продолжение)

Squeeze Film Damper

• NLRSFD - элемент позволяющий моделировать опоры скольжения с внутренним смазочным

слоем

Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran (продолжение)

Squeeze Film Damper

• SFD код использует в качестве входных данных относительные перемещения и скорости

в соединямых узлах и вычисляет силы, действующие на

внутренний (роторный) узел опоры.

Равные по величине, и противоположные по направлению силы

прикладываются внешнему (статорному) узлу

yyxx ,,, ),,,( yyxxFy ),,,( yyxxFx

),,,( yyxxFy ),,,( yyxxFx

Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran. Squeeze Film

Damper

• Для облегчения использования в некоторых последовательностях решений динамических

задач NLRSFD может быть также добавлен и как конечный элемент. Демпфирование в этом

случае будет обеспечивать элемент 2-ого порядка (CBUSH2D).

• Элемент CBUSH может учитывать и структурное, и вязкое демпфирование.

• В зависимости от используемой карты свойств (PBUSH или PBUSHT), характеристики

элемента (а это не только демпфирование) могут быть скалярными или задаваться в виде

различного рода зависимостей

Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran.

Элемент NLRGAP

• NLRGAP – элемент, позволяющий моделировать контакт двух цилиндрических

поверхностей

NLRGAP 99 37203 372030 XY 9900000 9900001

$TABK

TABLED1 9900000

0. 1.000+09100. 1.000+09ENDT

$TABG

TABLED1 9900001

0. 0.200-03100. 0.200-03ENDT

Использование технологии SCA в MD Nastran при моделировании

элементов опор ГТД

• SCA – Service Component Architecture

• SCA обеспечивает унифицированный независимый от платформы, ОС, или языка

программирования способ внедрения пользовательских подпрограмм

• Используя SCA архитектуру, в рамках одного программного продукта или

приложения (MD Nastran) можно интегрировать одни компоненты с другими

компонентами без необходимости знания о том как последние были внедрены в

приложение

Структура SCA в MD Nastran

Что такое компонент SCA

• SCA компонент можно представить следующим образом:

Services

A software function

provided to a client

through an interface

Properties

Attributes of the

component

References

Implementation

dependency on an

external service

Implementation

The code for the component in

any of many languages (Java,

BPEL, C++, PHP,

Fortran…

Component

Как это соотносится с MD Nastran

• SCA компонент можно представить следующим образом:

Services

A software function

provided to a client

through an interface

Properties

Attributes of the

component

References

Implementation

dependency on an

external service

Implementation

The code for the component in

any of many languages (Java,

BPEL, C++, PHP,

Fortran…

ComponentThe client in MD

Nastran is the

SCA Kernel

Как это соотносится с MD Nastran

• SCA компонент можно представить следующим образом:

Properties

Attributes of the

component

Component

The properties are defined by

the NLRSFD entry

Как это соотносится с MD Nastran

• SCA компонент можно представить следующим образом:

References

Implementation

dependency on an

external service

Component

The external

service is the

user created

component

Как это соотносится с MD Nastran

• SCA компонент можно представить следующим образом:

Implementation

The code for the component in

any of many languages (Java,

BPEL, C++, PHP,

Fortran…

Component

The lines of code defining

the component behaviour

SCA в MD Nastran

Карта MD Nastran NLRSFD (или теперь, компонент) была изменена, для

добавления новых полей для ввода данных

• Новые поля выделены синим цветом

SCA в MD Nastran

• Компонент NLRSFD

NLRSFD component

Wire to

kernel

Which service is executed

depends on the properties of the

NLRSFD entry

NLRSFD

internal

behaviour

NLRSFD user

defined

behaviour

SCA в MD Nastran

• Будет использован внутренний сервис NLRSFD

NLRSFD component

Wire to

kernel

NLRSFD

internal

behaviour

• Если поле GRPNAME оставить пустым

SCA in MD Nastran

• Будет использован внeшний сервис NLRSFD

NLRSFD component

Wire to

kernel

NLRSFD user

defined

behaviour

• Если поле GRPNAME определено

SCA в MD Nastran

• C:\UDS Nlrsfd.cpp

Insert your code here

Тестовый пример с использованием технологии SCA в MD

` Nastran

• В качестве исходной модели используется модель вала турбодетандера

• Опоры ротора – элементы CBUSH – обладающие линейной характеристикой

• Проводим 2 тестовых расчета переходного процесса с использованием MD Nastran

SOL400:

• Расчет с элементами СBUSH в качестве упругодемпферных опор

• Расчет с использованием комбинации элементов CBUSH+NLRSFD

CBUSH + CBUSH

СBUSH+NLRSFD “USER DEFINED” SCA компонент NASTRAN

Тестовый пример с использованием технологии SCA в MD

Nastran

NLRGAP – внутренний компонент

NASTRAN

NLRGAP – “USER DEFINED” SCA

компонент NASTRAN

• Опоры ротора – элементы NLRGAP, обладающие билинейной характеристикой

Пример практического применения технологии SCA в MD

Nastran компанией SNECMA

• Двухконтурный ГТД на 6 подшипниках • Входной файл MD Nastran для расчета

частотного отклика

Использование внешнего SCA

приложения в MD Nastran

Суперэлементы в роторной динамике

Se0

Se3 Se1 Se2

Se4

Se6 Se5

• Для расчета столь сложных моделей, какой является модель ГТД, оптимально подходит

использование суперэлементов, что существенно снижает временные и ресурсные затраты.

• Кроме того, в последних версиях пре- постпроцессора Patran появилась возможность

определения иерархии и последовательности подключения суперэлементов в модели –

Superelement Tree Definition.

Классическая схема построения КЭ модели для решения динамической

задачи в постановке “ротор+статор” с использованием суперэлементов

СЭ - РОТОР

СТАТОР

ВНЕШНИЕ УЗЛЫ СУПЕРЭЛЕМЕНТАСвязь

ротора с

опорой

(элемент

RBAR)

Упругая опора

(элемент

CELAS,СBUSH,

NLRSFD,NLRGAP)

Классическая схема построения конечноэлеметной модели ГТД с

использованием суперэлементов

SE1 SE2

SE4 SE5SE3 SEn…

Суперэлементы статора

Суперэлементы ротора

Остаточная структура

Внешние

суперэлементы

- внешние узлы суперэлементов

Вычислительные затраты

+ =

• Динамическая модель компрессора первой ступени ГТД

Модель/тип

расчета

Число элементов/с.с.

(размер входного

файла)

CPU Time Оперативная

память

Дисковое

пространство

MD Nastran

(ротор)

режим “SYNC”

~ 42000/220000

(~10Mb)

3 часа 0,15 Gb 3,7 Gb

MSC Nastran

(ротор + статор)

режим «SYNC»

~ 450000/3000000

(~100 Mb)

3 дня 1,3 Gb 77,5Gb

• для расчета критических частот вращения системы роторов полноразмерного ГТД в чистом виде при ограниченных вычислительных ресурсах

данная методика недостаточно эффективна

• Динамическая модель для определения критических частот вращения

связанной системы роторов

+ =

Модель/тип

расчета

Число элементов/с.с.

(размер входного файла)

CPU Time Оперативная

память

Дисковое

пространство

MD Nastran (ротор ВД +

ротор НД + статор)

режим “SYNC”

~ 528000/3200000

(~150 Mb)

0.33 1.3Gb 128 Gb

Вычислительные затраты

Спасибо за внимание!