Особенности компьютерного моделирования в среде Ansys прочности РДТТ под действием газодинамической нагрузки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Известно, что на стадии проектирования ракет, вне зависимости от их назначения, расчёты на так называемую внутреннюю баллистику (иначе - проведение расчётов по газодинамике реактивных двигателей) имеют первостепенное значение. Но именно на этой стадии важен и другой актуальный вопрос, каковы прочностные параметры реактивного двигателя? Применение технологии САПР, на этом этапе проектировочных и исследовательских работ, имеет очень большие преимущества. Так как математическое или компьютерное моделирование с применением, например, программного комплекса Ansys (возможно Nastran), на сегодняшний день является одним из наиболее приемлемых и перспективных подходов для исследования подобных задач. В данной работе в качестве САПР был использован программный комплекс Ansys, а вся математическая модель была построена и испытана в её подсистеме Ansys Workbench со средой визуального структурно - блочного программирования. Исследуемым объектом был РДТТ (ракетный двигатель на твёрдом топливе) со следующими основными геометрическими и мощностными параметрами: длина двигателя (вместе с соплом) 7,87 м., калибр 1.48 м., общая длина сопла 3 м., общая масса РДТТ равна 6050 кг (притом основные узлы, в том числе и сопло, сделаны из УУКМ), максимальная сила тяги 924 кН.

С точки зрения особенностей методики проведения расчётных работ, необходимо отметить, что предварительно, до применения САПР Ansys, вышеприведённые числовые параметры исследуемого РДТТ были вычислены в двух этапах:

1) определение компоновочных размеров всего УБР (управляемой баллистической ракеты) по методике, указанной в [2] - был составлен алгоритм в среде компьютерной алгебры Maple;

2) определение оптимальной (идеальной) формы сопла РДТТ по методу характеристик - на основании теории и алгоритмов, приведённых в [3] была разработана вычислительная программа в среде компьютерной математики Matlab.

На рис. 1 показана разработанная математическая модель РДТТ, построенная по правилам визуального структурно - блочного программирования в Ansys Workbench.

Рисунок 1. Структурно-блочная математическая модель РДТТ, построенная в среде Ansys Workbench

На рис. 2 показана геометрическая модель РДТТ, построенная в блоке Geometry (см. рис. 1). Рассмотренная нами конструкция РДТТ состоит из следующих основных частей: сопла, камеры сгорания, заряда, ТЗП (теплозащитной поверхности - фактически она представляет собой оболочку вращения, прикреплённой к внутренней поверхности камеры сгорания) и ЭОШ (эластичной опоры шарнира для сопла).

Рисунок 2. Геометрическая модель РДТТ, построенная в блоке Geometry системы Ansys Workbench

реактивный программный двигатель газодинамический

В рамках данной статьи не представляется возможным более детально рассказать о краевых и начальных условиях моделируемой в Ansys исследуемой газодинамической задачи, [1]. Поэтому на рис. 3 (a, b, … , i) приведены лишь окончательные результаты успешного решения по МКЭ задачи газодинамики и температурных процессов в сопле исследуемого РДТТ в блоке математического моделирования Fluid Flow (CFX) в Ansys Workbench (см. также рис. 1). Более детальные пояснения к этому рисунку приведены ниже:

a) b), и c) - показана сетка дискретизации по МКЭ в объёме газа внутри сопла (эту сетку дискретизации необходимо специально настраивать с учётом геометрии сопла);

d) 3-х мерный график потока газов в сопле (со значениями скорости по оси симметрии сопла);

e) 2-х мерный график поля скоростей потока газов в продольном центральном сечении сопла;

f) 3-х мерный график распределения поля температур на поверхности сопла;

g) 2-х мерный график распределения поля температур в продольном центральном сечении сопла;

h) 2-х мерный график распределения числа Маха в продольном центральном сечении сопла;

i) 3-х мерный график распределения общего давления потока газов на поверхности сопла.

Рисунок 3. (). Результаты компьютерного моделирования газодинамических и тепловых процессов, происходящих в сопле РДТТ (блок Fluid Flow (CFX) в Ansys Workbench)

Расчёты на динамическую прочность всей конструкции РДТТ, в соответствии и на основании принципа Даламбера, были проведены в блоке Static Structural системы Ansys Workbench. Здесь была осуществлена автоматизация передачи вычисленных данных из предыдущего блока Fluid Flow (CFX) для математического моделирования газодинамики сопла РДТТ в соответствующие геометрические поверхности конструкции сопла (см. рис. 1). На рис. 4 () приведены характерные результаты по определению напряжённо-деформированного состояния некоторых отдельных частей РДТТ. Были приняты следующие граничные условия: жёсткое защемление по поверхностям, которые конструктивно прикрепляются к соответствующим опорным поверхностям корпуса ракеты (на рис. 4 () эти поверхности показаны красными стрелками). Силовая внешняя нагрузка в блоке Static Structural задана следующим образом:

1) постоянное внутренне давление газов, равное 9 МПа, приложенное на всей свободной поверхности заряда, ТЗП, частей ЭОШ и внешней поверхности сопла, находящейся в камере сгорания;

2) давление газов на внутреннюю поверхность сопла (в автоматическом режиме передаётся из блока Fluent Flow (CFX), см. рис. 1). Несмотря на автоматизацию процесса передачи данных в Ansys Workbench, после решения задачи газодинамики требуется особое вмешательство исследователя для правильного указания нагружаемой поверхности, т.е. в данном случае внутренней поверхности сопла.

В процессе компьютерного моделирования было успешно решено достаточно много числовых примеров с различными вариантами исходных данных. Например, в основных узлах, наиболее подверженных газодинамическим и температурным нагрузкам (камера сгорания, сопло и даже твёрдые части в виде колец ЭОШ), были использованы, как традиционные материалы, используемые в ракетной технике, так и более современные, например композитный материал из УУКМ.

Рисунок 4. (). Результаты компьютерного моделирования прочностного поведения конструкции РДТТ (материал - УУКМ): на рисунках и - представлена дискретизация по МКЭ всей конструкции РДТТ, на рисунках и представлено напряжённое состояние (эквивалентные напряжения) в камере сгорания, вычисленное по теории Фон-Мизеса

Компьютерное моделирование прочностного поведения РДТТ под действием внутренней газодинамической нагрузки в подсистеме Ansys Workbench САПР Ansys оказалось успешным (был проведён всесторонний анализ полученных результатов). В перспективе было намечено продолжить комплексное развитие этой же модели в Ansys Workbench для исследования следующих задач: устойчивости (блок Linear Buckling), колебательных процессов (блоки Modal и Harmonic Response) а также для исследования влияния термической нагрузки на прочностное поведение конструкции РДТТ (блок Steady State Thermal).

Литература

1. O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor. The Finite Element Method, Fifth edition, Volume 3: Fluid Dynamics. MA 01801-2041, Red Educational and Professional Publishing. 2000.

2. Ю.М. Николаев, С.Д. Панин, Ю.С. Соломонов, М.П. Сычев. Основы проектирования твёрдотопливных управляемых баллистических ракет. Учебное пособие, - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Часть I: 1998, Часть II: 2000.

3. M. Martinez-Sanchez. Nozzle Design: Method of Characteristics. Lecture 4-5.

Размещено на Allbest.ru