Численное решение нелинейных нестационарных задач термопластичности при упрочнении поверхностного слоя элементов конструкций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Введение.

1. Аналитический обзор.

1.1. Основные методы деформационного упрочнения поверхностного слоя элементов конструкций.

1.2.Упрочнение поверхностного слоя элементов конструкций за счет неравномерного распределения температуры.

1.3.Влияние термопластического упрочнения на эксплуатационные характеристики материала.

1.4.Влияние параметров термопластического упрочнения на напряженное состояние поверхностного слоя элементов конструкций.

1.5.Термопластическое упрочнение турбинных лопаток.

Выводы по разделу 1.

2. Численное решение задач и анализ особенностей термопластического упрочнения при плоском напряженном состоянии.

2.1. Обзор программы АШУЭ.

2.1.1. Препроцессорная подготовка.

2.1.2. Получение решения.

2.1.3. Постпроцессорная обработка.

2.1.4. Метод конечных элементов в программе АМБУБ.

2.2. Основные соотношения для температурной задачи, используемые в программе АКБУБ.

2.3. Основные механические определяющие соотношения для материала, используемые в программе АШУБ.

2.4. Разработка методов расчета и анализ результатов при термопластическом упрочнении тел канонической формы в условиях плоского напряженного состояния.

2.4.1. Термопластическое упрочнение полупространства.

2.4.2. Термопластическое упрочнение цилиндра малой высоты.

2.4.3. Термопластическое упрочнение тонкой квадратной пластины с круговым отверстием.

2.4.4. Термопластическое упрочнение тонкой прямоугольной пластины с двумя круговыми отверстиями.

Выводы по разделу 2.

3. Разработка методов расчета и анализ результатов при термопластическом упрочнении в условиях объемного напряженного состояния.

3.1.Решение задач для тел канонической формы.

3.1.1. Термопластическое упрочнение пластины с квадратным планом.

3.1.2. Термопластическое упрочнение цилиндра.

3.1.3. Термопластическое упрочнение цилиндра с соосным отверстием.

3.2.Решение задач для лопаток газотурбинного двигателя (примеры).

3.2.1 Термопластическое упрочнение неохлаждаемых лопаток.

3.2.2. Термопластическое упрочнение охлаждаемых лопаток.

3.2.3. Термопластическое упрочнение охлаждаемых лопаток с отверстиями.

Выводы по разделу 3.

Одним из наиболее перспективных методов повышения долговечности и надежности элементов конструкций является упрочнение поверхностного слоя материала. В машиностроении широко применяются такие методы, как алмазное выглаживание, пневмо- и гидродробеструйное упрочнение, виброгалтовка, упрочнение микрошариками и другие способы поверхностного пластического упрочнения (ППД). При использовании указанных методов ППД в поверхностных слоях деталей степень деформации достигает 40 - 60 %, что при высоких температурах эксплуатации приводит к снижению усталостных свойств в результате интенсификации диффузионных процессов в упрочненной зоне. Поэтому для элементов конструкций, работающих при высоких температурах, наиболее приемлемыми являются методы упрочнения, при которых благоприятное напряженное состояние поверхностного слоя создается при минимальных пластических деформациях. К таким методам относится метод термопластического упрочнения (ТПУ), разработанный проф. Б.А.Кравченко. Проведенные исследования на деталях, работающих в горячей зоне газотурбинных двигателей, после наработки позволяют сделать заключение об эффективности термопластического упрочнения, которое значительно увеличивает их ресурс.

Актуальность. Процесс термопластического упрочнения весьма эффективно применяется для упрочнения деталей газотурбинных двигателей, применяемых в авиационной промышленности, в агрегатах газоперекачивающих станций, для привода электрогенераторов. Повышение долговечности деталей методом ТПУ увеличивает срок эксплуатации, позволяет значительно сократить расходы на ремонт и делает эту проблему весьма актуальной для энергетики.

При оценке остаточных напряжений при ТПУ аналитические решения, как правило, получить не удается в силу нелинейности задачи и существенной зависимости механических и физических характеристик материалов деталей от температуры. Применяемые численные методы и алгоритмы расчетов для ТПУ содержат достаточно много упрощающих предположений (не учитывается зависимость механических и физических характеристик от температуры) и не обладают общностью (при изменении формы изделия требуются новые алгоритмы и программы). Поэтому актуальной является задача создания достаточно надежного и общего алгоритма расчетов для ТПУ и соответствующего программного комплекса.

Целью работы является:

- разработка алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) при ТПУ тел канонической формы (пластина с квадратным планом, цилиндр малой и большой высоты, пластина с одним и двумя отверстиями, пустотелый цилиндр) с помощью программы ANSYS с учетом зависимости характеристик материала от температуры;

- расчет НДС при ТПУ лопаток ГТД, работающих в условиях высоких температур; исследование величины и особенностей распределения напряжений и пластических деформаций по сечению как неохлаждаемой, так и охлаждаемой лопаток с учетом зависимости характеристик материала от температуры.

Научная новизна:

- разработан алгоритм расчета НДС при ТПУ тел различной формы (пластина с квадратным планом, цилиндр малой и большой высоты, пластина с одним и двумя отверстиями, пустотелый цилиндр) с помощью программы ANS YS с учетом зависимости характеристик материала от температуры;

- проведен анализ полей напряжений и деформаций для случая двух близко расположенных отверстий в пластине;

- исследованы величина и характер распределения температурных и механических полей для сплошной и полой лопаток путем разбиения сечения лопатки на конечные элементы;

- получено численное решение задачи об определении остаточных напряжений и их интенсивности для неохлаждаемой и охлаждаемой лопаток в трехмерной постановке с помощью метода декомпозиции;

- решена задача определения остаточных напряжений и пластических деформаций в отверстии охлаждаемой лопатки ГТД.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается проведением различных тестовых задач, сравнением с результатами численных экспериментов, полученных с помощью других программ, а также исследованием точности полученных результатов в зависимости от количества и величины конечных элементов при ТПУ и типовой задачи (растяжение пластины с отверстием).

Практическая значимость. Разработанная методика позволяет рассчитывать НДС при ТПУ деталей различной формы (пластина с квадратным планом, цилиндр малой и большой высоты, пластина с одним и двумя отверстиями, пустотелый цилиндр) с учетом зависимости теплофизических и механических свойств материала от температуры. С помощью программы ANS YS получены распределения температурных и механических полей для неохлаждаемой и полой лопаток ГТД, эксплуатируемых в условиях повышенных температур.

Основные положения, выносимые на защиту:

- разработка алгоритма расчета НДС при ТПУ тел различной формы (пластина с квадратным планом, цилиндр малой и большой высоты, пластина с одним и двумя отверстиями, пустотелый цилиндр) с помощью программы ANS YS с учетом зависимости от температуры характеристик материала;

- анализ полей напряжений и деформаций для случая двух близко расположенных отверстий в пластине (при взаимодействии зон пластических деформаций);

- исследование величины и характера распределения температуры, полей напряжений и деформаций для сплошной и полой лопаток путем разбиения сечения лопатки на конечные элементы;

- распределения остаточных напряжений и их интенсивности для неохла-ждаемой и охлаждаемой лопаток, полученные с помощью метода декомпозиции при решении задачи в трехмерной постановке;

- решение задачи об определении остаточных напряжений и пластических деформаций в отверстии охлаждаемой лопатки ГТД.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи и тезисы 6 докладов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Ш научной межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 1993); на международной конференции "Математическое моделирование процессов обработки материалов" (Пермь, 1994); на V и VI научных межвузовских конференциях "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 1995 и 1996); на 2-ой международной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлоконструкций и методы их решения" (Санкт-Петербург, 1997); на международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, приложения и библиографического списка. Она изложена на 163 страницах, содержит 124 рисунка, 9 таблиц и библиографический список из 110 наименований.

Выводы по разделу 3

1. Выполнены расчеты при объемном напряженном состоянии и проведен анализ полученных результатов для тел канонической формы:

• пластина с квадратным планом;

• цилиндр большой высоты;

• цилиндр с соосным отверстием.

2. В результате анализа расчетов выявлены следующие особенности

ТПУ:

• при ТПУ бесконечной пластины величина и глубина проникновения сжимающих остаточных напряжений зависит от толщины пластины; выявлено влияние краевых эффектов на распределение напряжений по поверхности пластины;

• при ТПУ цилиндра установлено, что на величину и глубину проникновения остаточных напряжений сжатия оказывает влияние радиус цилиндра; при сравнении с результатами напряжений для цилиндра малой высоты установлено, что для объемного напряженного состояния характерны наибольшие значения остаточных напряжений; также показано влияние краевых эффектов на распределение напряжений по поверхности цилиндра;

• при ТПУ цилиндра с соосным отверстием установлено, что с увеличением радиуса отверстия возрастает и величина остаточных напряжений; также обнаружено, что аналогично результатам плоско-напряженного состояния для квадратной пластины с отверстием с увеличением радиуса отверстия появляются значительные растягивающие остаточные напряжения на неохлаждаемой внешней поверхности цилиндра; также показано влияние краевых эффектов на распределение напряжений по поверхности отверстия цилиндра.

3. Если рассматривать пластину, цилиндр и цилиндр с отверстием, то кривизну охлаждаемой границы можно принять равной 1/к, где к принимает значения к = со, к > 0 и к < 0 соответственно. Расчеты показали, что с измене

143 нием к величина остаточных напряжений на охлаждаемой поверхности изменяется незначительно.

4. Получено численное решение задачи об определении температурного поля, полей остаточных напряжений и пластических деформаций при ТПУ для неохлаждаемой лопатки при полном разбиении сечения на конечные элементы. Изучены особенности этих полей.

5. С помощью метода декомпозиции исследовано поле остаточных напряжений и их интенсивности для неохлаждаемой лопатки путем разбиения ее на несколько неограниченных пластин различной толщины и два сплошных цилиндра разных радиусов.

6. Численно исследовано влияние ТПУ на распределение температурных и механических полей в поперечном сечении охлаждаемой лопатки.

7. Методом декомпозиции получено численное решение задачи об определении поля остаточных напряжений и их интенсивности для лопатки с внутренней полостью. При этом лопатка была разбита на несколько пластин различной толщины и цилиндр с соосным отверстием.

8. С помощью метода декомпозиции выполнено исследование поля остаточных напряжений для охлаждаемой лопатки при наличии отверстия.

144