Download pdf - ANSYS Advantage. Русская редакция №15 – Энергетика и электротехника

ЭНЕРГЕТИКА

И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Âåòðîâàÿ Âåòðîâàÿ ýíåðãåòèêàýíåðãåòèêà

Ýëåêòðè÷åñêèé Ýëåêòðè÷åñêèé ðàñ÷åò êîììóòàòîðàðàñ÷åò êîììóòàòîðà

Îïòèìèçàöèÿ Îïòèìèçàöèÿ âîëíîâîé âîëíîâîé ýíåðãîóñòàíîâêèýíåðãîóñòàíîâêè

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании

ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками

или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage.

Русская редакция»

Инженерно/технический

журнал

Выходит 2 раза в год

(весна, осень)

15'2011

Учредитель:

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Главный редактор:

Хитрых Денис

Технический редактор:

Юрченко Денис

Редактор Web-контента:

Юрченко Анна

Администратор сайта:

Николаев Александр

Отдел маркетинга

и рекламы:

Екатерина Мороз

Адрес редакции

111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,

Тел.: (495) 644-0608

Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.

Цена свободная

Обращение к читателям! ...................................................................................... 2

Технологии

ANSYS MultiphysicsANSYS для расчетов объектов ветровой энергетики ......................................... 3

Повышение эффективности работы магнитоэлектрического генератора ...... 6

Использование комплекса ANSYS Icepak для проведения тепловых

и электрических расчетов коммутатора ............................................................... 9

Уменьшение максимальных механических напряжений в лопатках паровых

турбин .................................................................................................................... 12

Моделирование телескопа в ANSYS Mechanical ............................................... 14

Технологии ANSYS Multiphysics помогают исследовать поверхность Луны ... 17

Применение численного моделирования для решения промышленных

задач ...................................................................................................................... 19

Применение инновационных технологий при проектировании грузовых

судов ...................................................................................................................... 21

ANSYS WorkbenchРазработка крупной бытовой техники с помощью ANSYS Workbench ........... 24

Расчет узла крепления задней ножки пассажирского кресла в ANSYS ......... 26

ANSYS CFDОптимизация конструкции волновой энергоустановки .................................... 30

Оптимизация конструкции перепускного клапана в ANSYS CFD .................... 33

Численное моделирование ветрового воздействия на высотный комплекс

в газодинамическом пакете ANSYS CFX ........................................................... 35

ANSYS в вузах

Опыт использования программного комплекса в Ивановском

государственном энергетическом университете им. В.И. Ленина ................... 38

Расчет теплового состояния элементов конструкции проектируемого

ионного двигателя для дальних космических полетов ..................................... 40

Расчет перемешивания бинарной смеси в запальном устройстве ................. 43

Расчёт системы плёночного охлаждения в ANSYS FLUENT ............................ 46

Опыт применения ANSYS в НУК им. Адмирала Макарова при выполнении

курсовых и дипломных работ .............................................................................. 49

Применение программного комплекса ANSYS для решения задач

комплексного проектировочного расчета камер сгорания ГТД ............... 49

Исследование газодинамики сепарационного профиля

маслоотделителя путем применения расчетного комплекса

ANSYS FLUENT ............................................................................................. 54

Использование пакета ANSYS FLUENT для расчета геометрических

параметров системы многоконтурного пиролиза ...................................... 56

Компьютерное моделирование остаточного

напряженно-деформированного состояния при использовании

расчетного пакета ANSYS ............................................................................ 57

Применение ANSYS для расчета гидродинамического смесителя ................. 61

Применение ANSYS для анализа динамических характеристик

композиционных материалов .............................................................................. 63

ANSYS Advantage. Русская редакция | 15'2011www.ansyssolutions.ru

15'2011

© 2011 ANSYS, Inc.

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

A D V A N T A G E

Перепечатка опубликованных

материалов только с письмен-

ного разрешения редакции, за

исключением кратких цитат в

материалах информационного

характера. Мнение редакции

может не совпадать с мнением

авторов

www.ansyssolutions.ru


2


2

Новости и события

ANSYS Advantage. Русская редакция | 15'2011

В октябре 2006 года вышел первый номер на-

шего журнала. И вот сейчас, в апреле 2011 года,

вы держите в руках пятнадцатый, юбилейный,

номер. Пять лет — это много или мало для сов-

ременного динамичного мира? Думаем, мы на-

ходимся только в начале долгого и интересно-

го пути.

Одной из основных тем 15-го номера жур-

нала является энергетика — в нем размещены

несколько статей, посвященных опыту примене-

ния ANSYS при разработке технологий возоб-

новляемых и альтернативных источников энер-

гии. Их экономический потенциал пока незначи-

тельный и не может успешно конкурировать с

традиционными способами получения энергии.

Однако в мире уже установлено свыше 220 ги-

гаватт мощности ветроэлектростанций, а в Ев-

ропе, например, в 2009 году более 50 процентов

новых энергетических мощностей было создано

за счет возобновляемых источников. Мы наде-

емся, что и Россия не останется в стороне от

этих процессов.

Мы всегда стремились сделать журнал

прежде всего популярным, поэтому старались

размещать статьи научно-прикладного харак-

тера. Большинство статей описывали опыт

применения программных комплексов ANSYS

в зарубежных компаниях, при этом публика-

ций российских авторов было значительно

меньше. С помощью новой рубрики «ANSYS в

вузах» мы попытаемся исправить эту ситуа-

цию. В этом номере журнала Вы сможете оз-

накомиться с опытом успешного использова-

ния программных продуктов ANSYS в учебном

процессе.

Мы выражаем искреннюю благодарность

всем студентам и аспирантам, которые отклик-

нулись на наш призыв и прислали статьи и ма-

териалы по темам своих дипломных, учебных и

научных работ. Нас приятно удивило тематичес-

кое многообразие статей и география вузов, ко-

торые разделены многими часовыми поясами и

тысячами километров, но при этом их всех объ-

единяет общее стремление к внедрению инно-

ваций в учебный процесс, в том числе на основе

расчетных технологий ANSYS.

Кроме того, мы рады представить наш но-

вый проект в Интернете — «Видео-уроки

ANSYS», с которыми Вы можете ознакомиться,

посетив наш канал ansyscfd на популярном ви-

деохостинге YouTube или Twitter. Сейчас на

этом канале доступно более десяти бесплатных

видео-уроков по самым разным направлениям и

дисциплинам. В ближайшее время мы планиру-

ем увеличить число видео-уроков ANSYS в три

раза.

Надеемся, что и Вы примите активное

участие в данном вопросе и поможете нам в вы-

боре актуальных тем видео-уроков. Свои поже-

лания и предложения Вы можете присылать на

электронный адрес редакции: Denis.Khitrykh@

cadfem-cis.ru.

Мы благодарим Вас за то, что все эти годы

Вы были с нами. На страницах журнала и через

другие наши информационные ресурсы — элек-

тронные новости «ANSYS eNews», каналы

YouTube, специализированные веб-семина-

ры — мы будем размещать интересные и полез-

ные материалы, а также информацию о мероп-

риятиях, организованных компанией «КАДФЕМ

Си-Ай-Эс»,

Мы рады пригласить Вас посетить и высту-

пить с докладом на ежегодной конференции

пользователей ANSYS, которая состоится в

Москве 24-28 октября 2011 г. Материалы луч-

ших докладов будут опубликованы в следующих

номерах нашего журнала.

В заключение мы хотим выразить огром-

ную признательность всем нашим друзьям и

коллегам, которые в разные годы помогали нам

создавать журнал: Константину Басову, Ирине

Дорофеевой, Александру Дорфману, Ульяне

Исаевой, Юрию Кабанову, Екатерине Мороз,

Александру Николаеву, Михаилу Плыкину, Алек-

сандру Чернову, Денису Юрченко, Джону Сток-

су, Крис Ривз, Келли Уол и Джону Крузу.

От редактора

Уважаемые читатели!

С уважением,

Денис Хитрых, руководитель проекта,

Анна Юрченко, редактор Web-контента,

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».

3



Проекты по использованию энергии ветра — от

небольших отдельных установок до огромных

комплексов — имеют общую цель: сократить

стоимость выработки электрической энергии и

обеспечить высокую надежность. С экономичес-

кой точки зрения, использование инновацион-

ных технологий позволяет выбрать оптимальный

проект турбины, усовершенствовать процесс из-

готовления узлов и эксплуатационные характе-

ристики. Независимо от размещения установок,

на берегу или в открытом море, для создания

эффективных проектов необходимо проводить

аэродинамические, прочностные, электричес-

кие и другие расчеты.

Проекты ветровых установок становятся

все более сложными, и они должны надежно

функционировать. Это казалось практически

нереальным несколько лет назад. Наибольшим

прорывом стало использование больших ветро-

вых турбин и плавучих конструкций в открытом

море. Энергетические компании планируют за-

ниматься проектированием, установкой и экс-

плуатацией суперконструкций с лопатками бо-

лее 50 метров. При этом будут возникать боль-

шие волновые и ветровые нагрузки при различ-

ных углах атаки.

Исторически сложилось так, что энергети-

ческие компании активно используют програм-

мные комплексы для компьютерного моделиро-

вания проектов турбин. Технологии ANSYS ши-

роко используются в данной отрасли, включая:

• Расчет аэродинамики: коэффициент тяги,

прочность конструкции лопатки, предель-

ные нагрузки и усталостная долговечность,

оценка уровня шума, порывы ветра (FSI),

столкновение с птицами, обледенение, пе-

реход ламинарного пограничного слоя в

турбулентный, след за лопаткой, влияние

ветровой станции на экосистему

• Расчет прочности: прочность конструкции

опоры и ротора, эффективность преобра-

зования энергии, стоимость установки и

эксплуатации, транспортировка и установ-

ка конструкции в открытом море

ANSYS для расчетов

объектов ветровой

энергетики

Ahmad Haidari, ANSYS, Inc.

Ðàñ÷åò äàò÷èêîâ îáîðîòîâ

Ðàñ÷åò òðàíñôîðìàòîðîâ Àíàëèç ýëåêòðîìàøèí



4


• Расчет компонентов: лопатки, редукторы и

подшипники, генераторы, обтекатели, рабо-

чие колеса турбины, ведущие шкивы, двига-

тели, система охлаждения электроники

• Выбор места расположения комплекса:

максимальный потенциал проекта, выра-

ботка электроэнергии (максимальная и

средняя), ветровые нагрузки, усталостная

долговечность

• Расположение турбины: разнообразный

рельеф, неровность рельефа, лесистая

местность, влияние попутного потока, за-

стройка территории

• Электро-механические системы: электри-

ческие машины, системы регулирования

скорости, трансформаторы, силовая элект-

роника, распределение мощности, проек-

тирование сенсоров и приводов

• Производство лопаток

Сегодня при проектировании турбин требу-

ется системный подход и анализ эксплуатации в

реальных условиях. Преимущества использова-

ния программных комплексов при этом очевид-

ны: например, среда ANSYS Workbench дает

возможность моделировать комплекс ветровых

турбин. Кроме того, в решателе доступны моде-

ли турбулентного перехода, модели контактного

взаимодействия, возможности многодисципли-

нарных расчетов, расчеты композиционных ма-

териалов, высокопроизводительные вычисления

и связь со сторонними продуктами.

Электромеханический анализ систем мож-

но проводить с использованием программного

Ðàñ÷åò ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè

Ðàñ÷åò ãåíåðàòîðîâ

Ðàñïðåäåëåíèå ýíåðãèè

Îáúåêòû âåòðîâîé ýíåðãåòèêè

Âûáîð ìåñòà ðàñïîëîæåíèÿ

Ïðîåêòèðîâàíèå ïëàâó÷åé âåòðîâîé òóðáèíû

5

www.ansyssolutions.ru ANSYS Advantage. Русская редакция | 15'2011

комплекса Simplorer, электромагнитные расчеты

электромашин и приводов — с помощью модуля

Maxwell, расчет энергии ветра — ANSYS CFD,

анализ прочности и модальный анализ — ANSYS

Mechanical.

Благодаря высокой степени интеграции и

усовершенствованным возможностям, специа-

листы могут уточнять проведенные ранее упро-

щенные расчеты, добавляя новые элементы в

общий проект турбины. Даже небольшое увели-

чение эффективности чрезвычайно важно в

этой отрасли промышленности, это приводит к

большему производству электроэнергии, сокра-

щению простоя и большей прибыльности проек-

та. Кроме того, повышается надежность и долго-

вечность конструкции в целом.

Сегодня существует много примеров ши-

рокого использования компьютерного модели-

рования в области ветровой энергетики. Без

применения ANSYS эти проекты не могли быть

настолько успешными.

При увеличении спроса на использование

энергии ветра, перед инженерами будут возни-

кать дополнительные сложности, такие как

дальнейшее увеличение размеров лопаток

турбин, труднодоступное место расположения

установок. При выборе места расположения

установок необходимо учитывать все риски и

выполнять требования к защите окружающей

среды. Внимание будет уделяться разработке

новых силовых цепей, более легких несущих

опор, плавучих платформ и снижению уровня

шума. Благодаря внедрению инноваций энер-

гетические компании смогут выполнять требо-

вания к надежности и безопасности проектов,

усовершенствовать систему дистанционного

контроля, сократить эксплуатационные затра-

ты. ANSYS обеспечивает специалистам широ-

кие возможности для моделирования в одной

из областей физики, а также выполнения мно-

годисциплинарных расчетов и анализа ветро-

вых установок.

Ðàñ÷åò ðîòîðà Ðàñ÷åò ëîïàòêè



6


Использование энергии ветра является одной из

наиболее перспективных тенденций в мировой

энергетике. Ожидается, что к 2014 году исполь-

зование этих ресурсов вырастет на 160%. В дан-

ной отрасли широко используются магнитоэлек-

трические генераторы, характеризующиеся вы-

сокой эффективностью и гибкостью в использо-

вании. Компания Indar Electric, S.l., производит

магнитоэлекрические генераторы мощностью

2.5 мВт, предназначенные для ветровых устано-

вок. Ожидается, что с помощью магнитоэлекри-

ческого генератора можно достигнуть уровня

эффективности 97.7% при номинальной нагруз-

ке — при преобразовании механической энергии

в электрическую. Кроме того, необходимо увели-

чить эффективность работы при частичной на-

грузке, поскольку чаще всего ветряные турбины

работают именно в таком режиме. Традицион-

ные методы создания физических прототипов не

дают результатов в сжатые сроки. В связи с этим,

специалисты компании Indar использовали элек-

тромагнитные и гидродинамические расчеты для

ускорения процесса проектирования.

Компания Indar Electric была основана в

1940 году и занималась производством неболь-

ших электромоторов. В 1997 году компания ста-

ла частью испанской корпорации Ingeteam, за-

нимающей 15% мирового рынка деталей ветря-

ных турбин. Indar производит такие компоненты,

как традиционные асинхронные генераторы и

более современные магнитоэлектрические ге-

нераторы. Обычно магнитоэлектрические гене-

раторы показывают высокую эффективность

при номинальной нагрузке и еще большую эф-

фективность при неполной нагрузке, поскольку

постоянные магниты не требуют наличия катуш-

ки ротора, что, в свою очередь, устраняет оми-

ческие потери. Кроме того, нет необходимости в

использовании щеток, благодаря чему возника-

ет меньше проблем с эксплуатацией изделия.

У инженеров компании возникли некото-

рые трудности при разработке нового проекта

магнитоэлектрического генератора. Для дости-

жения общей цели необходимо было выполнить

ряд задач. Синхронный момент, вызванный вза-

имодействием постоянных магнитов ротора и

паза сердечника статора, необходимо было со-

кратить до 0.1% общего крутящего момента.

Гармоники напряжения на выходе не должны

превышать 0.5%. Система охлаждения должна

была обеспечить температуру магнита ниже

100°C — таким образом, магнит может прослу-

жить более 20 лет.

Специалисты компании Indar использовали

программный комплекс Maxwell для оценки вли-

яния различной геометрии и свойств магнита на

электромагнитные характеристики генератора.

Повышение

эффективности работы

магнитоэлектрического

генератора

Jon Vaquerizo, менеджер проектов,

Xabier Calvo, технический менеджер,

компания Indar Electric, S.L., Beasain Guipuzkoa, Испания

Âíåøíèé âèä ìàãíèòîýëåêðè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà

7


Для разработки предварительного проекта ге-

нератора использовались хорошо известные ба-

зовые уравнения.

Вначале была создана двухмерная, а за-

тем и трехмерная модели генератора, основан-

ные на технологических чертёжах — для вос-

произведения геометрии и свойств материалов

пластин и катушек ротора и статора. Был вы-

бран шаг по времени, соответствующий скоро-

сти вращения генератора и количеству полюсов

в постоянном магните. Специалисты провели

расчет в условиях без нагрузки, с полной нагруз-

кой и в короткозамкнутой цепи.

Поведение конструкции в условиях корот-

козамкнутой цепи стало еще одним важным мо-

ментом расчетов. Короткое замыкание может

произойти вследствие механических поломок в

генераторе, разрушения изоляции или отказа

преобразователя мощности. Инженеры иссле-

довали магнитное поле, возникающее в каждой

области постоянного магнита в короткозамкну-

той цепи, чтобы исключить выход магнита из

строя. Обычно при расчетах магнитоэлектричес-

ких генераторов, специалисты компании Indar

принимают во внимание множество факторов,

таких как влияние температуры магнита, ско-

рость вращения, частота переключения и корот-

кое замыкание (двухфазное и трехфазное). Та-

ким образом, можно сохранить необходимые

характеристики магнита на протяжении всего

срока службы цепи генератора.

Для получения номинального крутящего

момента, сильного тока и низких потерь, при

моделировании режима полной загрузки инже-

неры проверяли входные параметры для преоб-

разователей частоты при допустимых частотах.

Проверялись индукционные уровни в статоре

вследствие их большого влияния на эффектив-

ность работы системы. Высокие уровни индук-

ции позволяют уменьшить размер генератора.

Однако они увеличивают потери в сердечнике.

Расчеты в Maxwell показали в геометрической

модели статора распределение потерь, что поз-

волило сделать соответствующие проектные

изменения. Инженеры компании Indar постоян-

но вносили изменения в проект с целью выпол-

нения проектных требований и сокращения по-

терь в витках статора, механических потерь, а

также потерь, вызванных частотой переключе-

ния при работе с преобразователями частоты.

Óðîâåíü ïëîòíîñòè ìàãíèòíîãî ïîòîêà â ñòàòîðå (ñëåâà) ïîêàçûâàåò îáëàñòè íàèáîëüøèõ ïîòåðü. Íàïðÿæåíèå íà ãåíåðàòîðå (ñâåðõó ñïðàâà) è áûñòðûå ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå (ñíèçó ñïðàâà) ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷åííûõ äëÿ õîëîñòîãî õîäà.

Ïîâåäåíèå ìàãíèòà â óñëîâèÿõ òðåõôàçíîãî êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ — ïîëó÷åíî ñ ïîìîùüþ Maxwell



8


Поскольку магнитное поле является силь-

ным даже когда магнитоэлекрический генератор

не вращается, специалисты Indar рассчитали

процесс сборки и балансировки ротора. Опреде-

лялся уровень магнитных сил, возникающих при

установке ротора, что позволило подобрать со-

ответствующие сборочные устройства, способ-

ные противостоять этим силам.

Одновременно проводилось моделирова-

ние системы охлаждения генератора вследствие

взаимосвязи электрических и тепловых харак-

теристик. Температура магнита играет важную

роль в его способности противостоять размагни-

чиванию, поэтому улучшение характеристик ох-

лаждения может помочь выдерживать условия

короткого замыкания. Оптимизация системы ох-

лаждения позволяет сократить потери на охлаж-

дение и механические потери.

Для оптимизации системы охлаждения ис-

пользовался гидродинамический программный

комплекс ANSYS FLUENT, позволивший провес-

ти подробный расчет течения и теплообмена в

генераторе и в области вокруг него. Проблема-

тичным было создание сетки вследствие разни-

цы в масштабе — зазор между ротором и стато-

ром от 5 мм до 10 мм, в то время как длина гене-

ратора и системы охлаждения составляет 1 м.

Для сокращения времени расчетов для боль-

шинства процессов проводился стационарный

расчет, а модель была уменьшена с использова-

нием осесимметрии и условий периодичности. В

результате расчетов были получены локальные

коэффициенты теплоотдачи, скорость потока в

каждой точке области решения, перепад давле-

ния, температура генератора, профиль темпера-

тур и рабочую температура магнита. Эти резуль-

таты использовались для уменьшения количест-

ва «горячих точек» — при сокращении перепада

температур по всей длине генератора.

Использование программного обеспечения

ANSYS позволило в сжатые сроки проанализи-

ровать множество вариантов проектов. Элект-

ромагнитные и гидродинамические расчеты

предоставили намного больше данных по срав-

нению с физическими испытаниями. Моделиро-

вание дает результаты для любых параметров в

любой точке области решения, в то время как

эксперимент обеспечивает данные только в об-

ластях размещения датчиков. Благодаря прове-

денным расчетам оптимальный вариант проекта

был выбран задолго до создания физического

прототипа.

Изменения параметров используемого уст-

ройства осуществляются легко и быстро, таким

образом, инженеры могут оценить характерис-

тики различных модификаций изделия в CAD-

модели, при построении сетки, задании гранич-

ных условий, обновлении результатов.

Следующим этапом было создание и тес-

тирование основного прототипа — для верифи-

кации результатов моделирования и обеспече-

ния необходимого функционала и долговечнос-

ти генератора. Проводилось два вида тестиро-

вания: гомологизация генератора при полной

нагрузке — испытание на соответствие требо-

ваниям, и тест на прочность. Следует отметить,

что электрические и тепловые измерения очень

хорошо согласовались с результатами прове-

денных расчетов. К примеру, максимальное от-

клонение от огибающей напряжений составило

0.1%. По измерениям, КПД нового генератора

составил 97.86% — больше, чем было предус-

мотрено проектом (97.7%), и расчеты точно это

показали. Эти показатели являются лучшими

на рынке магнитоэлекрических генераторов.

Благодаря компьютерному моделированию,

цель была достигнута в два раза быстрее по

сравнению с использованием традиционных

методов. Результаты расчетов соответствова-

ли экспериментальным измерениям, что убеди-

ло специалистов компании Indar в эффектив-

ности использования программных продуктов

ANSYS при решении самых сложных инженер-

ных задач.

Ëèíèè òîêà è òåìïåðàòóðû â òðóáàõ âîçäóõî-âîçäóøíîé ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ

Èçìåíåíèå ðàñõîäà âîçäóõà âäîëü äëèíû ãåíåðàòîðà ïðè èñïîëüçîâàíèè ðàçëè÷íûõ ñèñòåì îõëàæäåíèÿ

9




Многодисциплинарные расчеты используются в

электронной промышленности для определения

эксплуатационных характеристик изделий, ана-

лиза возникновения неисправностей, а также оп-

тимизации проектов. Поскольку проведение экс-

периментов является весьма дорогостоящим,

предпочтение отдается использованию числен-

ных методов моделирования для оптимизации

изделий на ранних этапах проектирования. Бла-

годаря использованию инженерных расчетов,

проекты соответствуют требованиям таких меж-

дународных организаций, как Лаборатория UL по

технике безопасности (uL®) и Международная

электротехническая комиссия (IEC®). Таким обра-

зом, электрические и тепловые расчеты играют

важную роль в процессе разработки новых изде-

лий в различных областях промышленности.

Как и многие компании-лидеры, Schneider

Electric ставит своей целью оптимизацию про-

цесса проектирования. Представительства ком-

пании, которые занимаются разработкой и про-

изводством продукции в области управления

энергией и систем автоматизации, находятся бо-

лее чем в 100 странах мира. Специалисты «Цен-

тра развития технологий компании» (Бангалор,

Индия) работают над проектированием и опти-

мизацией новых изделий.

Для сокращения времени проектирования

инженеры «Центра развития технологий» исполь-

зуют продукты ANSYS Icepak, ANSYS Multiphysics,

ANSYS FLUENT и ANSYS Workbench. В одном из

последних проектов применялся программный

комплекс ANSYS Icepak для проведения тепло-

вых и электрических расчетов коммутатора с це-

лью определения температуры изделия (вследс-

твие джоулева нагрева), а также оптимальных

характеристик проводящих и изоляционных ма-

териалов. Следующим этапом расчетов стало

определение электро-тепловых контактных со-

противлений, влияния теплового излучения на

работу компактных электрических устройств, а

также влияния перегрузок по току и повышенных

окружающих температур на тепловые характе-

ристики изделия. Результаты расчетов показали

хорошее согласование с экспериментом.

Коммутаторы широко используются в уст-

ройствах со сверхнизким напряжением, проводя

ток 10–60 А и выступая в качестве механизма

включения — выключения для домашних осве-

тительных приборов, производственных устано-

вок и другого оборудования. Исследуемый ком-

мутатор состоял из нескольких неподвижных

контактных сборок и одного подвижного контак-

та. Моделирование в комплексе ANSYS Icepak

Использование

комплекса ANSYS Icepak

для проведения тепловых

и электрических расчетов

коммутатора

Arunvel Thangamani и Alok Pande, Schneider Electric, R&D,

Global Technology Centre, Бангалор, Индия

Ïðîòîòèï êîììóòàòîðà



10


помогло команде разработчиков достигнуть не-

обходимого уровня температур при экономном

использовании материалов и покрытий. Комп-

лекс также помог определить контактное давле-

ние. Подход оптимизации на основе планирова-

ния эксперимента (DOE) использовался для оп-

ределения влияния таких параметров, как раз-

меры изделия, используемые материалы, пок-

рытия, электрическое контактное сопротивление

на результирующую температуру изделия. Кон-

тактное сопротивление оценивалось при помо-

щи тонкой пластины толщиной порядка микрон.

В качестве материала использовалось серебро.

Общая мощность в контакте рассчитывалась с

помощью I2R, где I — ток, проходящий через из-

делие, а R — омическое сопротивление контак-

та, полученное из эксперимента. Величина R

рассчитывалась по измеренному перепаду на-

пряжения (милливольт) деленное на ток I. Досто-

верность расчетов обеспечивалась путем под-

бора численных констант конечноэлементной

модели для обеспечения соответствия рассчи-

тываемого и экспериментально определенного

значения электрического контактного сопротив-

ления.

Инженеры использовали возможности ком-

плекса ANSYS Icepak для задания электричес-

Îñíîâíûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà óðîâåíü òåìïåðàòóðû

Óïðîùåííàÿ ìîäåëü ANSYS Icepak äëÿ êîììóòàòîðà

Îñíîâíûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà óðîâåíü òåìïåðàòóðû

11


ких свойств и граничных условий, таких как

электрическое сопротивление, задание тока и

коэффициент термического сопротивления. В

ANSYS Icepak возможно сохранение данных о

протекании процесса в виде падения напряже-

ния (милливольт) в контактной зоне и зоне вво-

да-вывода. Используя эту информацию, коман-

да инженеров изменила граничные условия в

данных конкретных местах, что, в свою очередь,

существенно повлияло на точность температур-

ных полей. Для учета лучистого теплообмена

использовалась модель «surface-to-surface», а в

ANSYS Icepak автоматически рассчитывались

угловые коэффициенты.

После того как модель была настроена по

данным контактного сопротивления, проводилась

параметрическая оптимизация изделия с помо-

щью модуля ANSYS Icepak. Такие важные пара-

метры, как тип сплава в контакте, степень черно-

ты покрытия и размеры проводника при оптими-

зации являлись независимыми переменными.

Исследование (DOE) включало 12 проб,

применялся подход полного факторного экспе-

римента. Команда инженеров пришла к выводу,

что влияние материала намного выше, чем дру-

гих параметров. Например, изменение лучистых

свойств покрытия и его толщины вызывает изме-

нение температуры в контакте менее чем на 5 °С

, в то время как при использовании сплавов с

большим содержанием меди температура умень-

шалась примерно на 15 °С. Инженеры нашли на-

иболее экономичный и эффективный материал,

а также соответствующие параметры покрытия

для оптимального теплообмена в закрытом про-

странстве. Проведение такого обширного иссле-

дования с использованием традиционного под-

хода (натурных экспериментов) оказалось бы

очень дорогостоящим и длительным.

Кроме того, инженеры провели исследова-

ние для оценки влияния контактного сопротивле-

ния на величину температуры. В компактных из-

делиях, в которых размеры проводника малы и

конвекция воздуха очень ограничена, нагрев

вследствие контактного сопротивления является

основным источником повышения температуры.

Поскольку количество контактов велико (в боль-

шинстве задач — более двух), тепло контактного

сопротивления также является значительным.

При анализе рассматривались два незави-

симых входных параметра, контактное сопротив-

ление подвижного контакта и контактное сопро-

тивление исполнительного устройства. Исследо-

вание включало 12 проб с применением подхода

полного факторного эксперимента. Это позволи-

ло понять, какая из контактных областей вносит

больший вклад в увеличение температуры. На

основе полученных результатов, были выработа-

ны рекомендации по величине контактного дав-

ления и применения высокопроводных мягких

материалов в этой области. Исследование также

позволило выявить степень влияния перепада

напряжения в контактной зоне на увеличение

температуры и, соответственно, выработать про-

ектные ограничения на окисление контактов.

Проведенные исследования позволяли оп-

ределять передаточную функцию, которая ока-

залась чрезвычайно полезной и в более поздних

работах по модернизации данной линейки про-

дуктов. Верификация передаточной функции

позволила убедиться в том, что данные матема-

тической корреляции хорошо согласуются с ре-

зультатами, полученными в ANSYS Icepak. Более

поздние эксперименты по исследованию темпе-

ратурного состояния оптимизированного изде-

лия показали незначительное отличие (3 °С) от

результатов, полученных при моделировании.

В последних расчетах эта же модель ис-

пользовалась для исследования влияния высо-

ких температур окружающего пространства, а

также большего протекающего тока. Результаты

помогли команде разработчиков определить

предельный рабочий режим при функциониро-

вании в электрической сети.

Результаты моделирования в ANSYS Icepak

позволили специалистам Schneider Electric убе-

дится, что использование численных методов

применимо ко всем продуктам компании. Такой

подход уменьшает количество создаваемых

прототипов и проводимых натурных экспери-

ментов, а также сокращает время, необходимое

для разработки изделия на 30-40%, а затраты на

производство прототипов сокращаются на 30%.Ïîëå òåìïåðàòóð óñîâåðøåíñòâîâàííîãî èçäåëèÿ



12


Одними из наиболее напряженных частей паро-

вой энергетической турбины являются облопа-

ченные диски — особенно последней ступени

низкого давления — испытывающие наиболь-

шую центробежную и изгибающую силу.

В этих конструкциях при вращении турби-

ны замковая часть лопатки сцепляется с пазом

диска. В то время как средние напряжения в со-

прягающихся поверхностях являются полностью

упругими и обычно достаточно далеки от преде-

ла текучести, максимальные напряжения в неко-

торых контактных областях паза могут достигать

предела текучести и переходить в область плас-

тических деформаций материала. В этих высо-

конапряженных областях возникают и распро-

страняются трещины, вызывающие усталостное

разрушение и отказ турбины.

Исследователи предложили несколько ме-

тодов для получения приемлемой оценки упру-

гопластической зависимости и получаемых на-

пряжений в замковой части лопатки и пазе дис-

ка. Отличие в определении усталостной долго-

вечности различными методами может быть не-

приемлемо велико. Более того, стандартные

подходы не учитывают изменения в геометрии

при больших рабочих перемещениях, что приво-

дит к дополнительным ошибкам, наиболее за-

метным при определении долговечности, исчис-

ляемой в количестве циклов безопасного функ-

ционирования лопатки — до момента появления

трещин.

Подобные задачи решаются с помощью

компьютерного моделирования в компании

Triveni Engineering and Industries Ltd., ведущем

мировом производителе турбин для электро-

станций. В последних расчетах исследовались

пиковые напряжения в сборках дисков турбин

низкого давления. Вначале геометрическая мо-

дель передавалась из

Pro/ENGINEER в ANSYS

Mechanical, сетка строи-

лась с помощью элемен-

тов SOLID185. С помо-

щью расширенных Лаг-

ранжевых алгоритмов,

между контактными по-

верхностями создава-

лись контактные пары

поверхность-поверх-

ность, работающие без

трения.

Необходимый ко-

эффициент запаса про-

чности составлял 1.5

для лопатки и 1.25 для

диска при минимальном пределе текучести и

для режима 100% (6,000 оборотов в минуту) и

121% (7,200 оборотов в минуту). При указанных

коэффициентах запаса прочности, нагрузки по

Мизесу во всех областях находились в пределах

границы расчётных напряжений в рассматрива-

емых режимах работы.

Уменьшение

максимальных

механических напряжений

в лопатках паровых турбин

Kumar Kenche Gowda, научный сотрудник, Triveni Engineering and Industries Ltd.

Santhosh M. Kumar, инженер технической поддержки, ANSYS India

Ëîïàòêà òóðáèíû íèçêîãî äàâëåíèÿ

Ìîäåëü ïàçà äèñêà

13


Результаты линейного анализа показали,

что напряжения намного выше 585 МПа при ми-

нимальном пределе текучести для замковой

части лопатки и паза диска на входной и выход-

ной части. В дальнейшем проводился нелиней-

ный анализ с учетом упругости материалов, в

котором определялись концентрации напряже-

ния при различных уровнях нагружения. Пос-

кольку подобный анализ является чрезвычайно

ресурсоемким, инженеры решили использовать

метод аппроксимации, основанный на формуле

Neuber [1], рассчитывающей упругие деформа-

ции на основе результатов линейного анализа.

Расчет показал еще большие пиковые на-

пряжения — 1904 МПа в области замковой час-

ти лопатки, а также очень малую низкоциклич-

ную усталостную прочность. Согласно проект-

ным нормам компании, основанным на опыте и

проведенных экспериментах, максимальные

пиковые напряжения не должны превышать

1200 МПа при жизненном цикле изделия в 5000

циклов «пуск/остановка». В связи с этим, для

приведения в соответствия с нормами, было не-

обходимо провести оптимизацию геометрии за-

мковой части лопатки. Коэффициент концентра-

ции напряжений в замковой части лопатки помог

инженерам понять, какими должны быть модер-

низированные проекты.

Размеры замковой части лопатки меня-

лись с использованием ANSYS Parametric Design

Language (APDL). В ANSYS Mechanical был про-

веден анализ множества комбинаций парамет-

ров. Таким образом, инженеры определили

чувствительность проекта к изменениям геомет-

рии при уменьшении коэффициента концентра-

ции напряжений, в соответствии с таблицей [2],

[3]. В результате, были получены пиковые напря-

жения 1153 МПа в замковой части лопатки, по-

добным образом были уменьшены пиковые на-

пряжения в пазе диска до 1102 MПa ( по сравне-

нию с 1660 МПа). Коэффициент концентрации

напряжений сократился от 10.4 до 6.

Проведенные исследования продемонстри-

ровали эффективность компьютерного модели-

рования при расчете прочности облопаченных

дисков турбин низкого давления. Программный

комплекс ANSYS Mechanical позволяет решать

комплексные задачи и проводить анализ проч-

ности, а также другие виды расчетов в единой

среде. Возможности ANSYS Parametric Design

Language, проведение нелинейных расчетов и

«кастомизации» проектов являются несомнен-

ными преимуществами в проведении подобных

расчетов.

Ëèòåðàòóðà [1] Lemaitre, J.; Desmorat, R. Engineering Damage

Mechanics: Ductile, Creep, Fatigue and Brittle Failures, Springer: 2005.

[2] Pilkey, W.D. Peterson’s Stress Concentration Factors, John Wiley & Sons: 1997.

[3] Kearton, W. J. Steam Turbine Theory and Practice, CBS Publishers and Distributors: New Delhi, Seventh Edition, 1988.

Íàãðóçêè ïî Ìèçåñó — äî ìîäåðíèçàöèè. Ïèêîâûå íàïðÿæåíèÿ 1904 ÌÏà â çàìêîâîé ÷àñòè ëîïàòêè (ñëåâà) è ñðåäíåå íàïðÿæåíèå 250 ÌÏà â øåéêå ëîïàòêè (ñïðàâà). Â ïàçå äèñêà ïèêîâîå íàïðÿæåíèå ñîñòàâèëî 1660 ÌÏà

Ïîñëå îïòèìèçàöèè, íàãðóçêè ïî Ìèçåñó ñóùåñòâåííî ñíèçèëèñü

Ðàçìåðû çàìêîâîé ÷àñòè ëîïàòêè ìåíÿëèñü ñ èñïîëüçîâàíèåì ANSYS Parametric Design Language (APDL)



14


В 2018 г. планируется завершить работу по со-

зданию ТМТ (Thirty Meter Telescope) — самого

большого и мощного оптического телескопа в

мире, который позволит ученым исследовать

свет из галактик, находящихся на границе види-

мой вселенной, а также объекты солнечной сис-

темы и Млечного Пути. Конструкция телескопа

составит 56 м в диаметре и 47 м в высоту, вес —

около 1900 тонн. В связи с большой массой

конструкции, при проектировании возник ряд

проблем. К примеру, первичное зеркало содер-

жит 492 сегмента, требующих очень жесткой

опоры, поскольку при отклонении нарушается

общее расположение сегментов. Приводы на

каждом сегменте могут исправить расположе-

ние частично, но этого не всегда достаточно. Та-

ким образом, необходимо, чтобы опорная конс-

трукция, направляющая телескоп в различные

области звездного неба, обеспечивала чрезвы-

чайную жесткость — и при этом стоимость не

должна существенно изменяться.

Компания Dynamic Structures (Британская

Колумбия, Канада) была выбрана для подготов-

ки проекта и изготовления опорной конструкции

телескопа и корпуса. Совместно с Институтом

астрофизики Херцберга (Германия), специалис-

ты компании разработали инновационный спо-

соб одновременной оптимизации прочностных и

оптических характеристик конструкции. За три

месяца специалисты Dynamic Structures смогли

Моделирование

телескопа в ANSYS

Mechanical

Mike Gedig, ведущий инженер, Dynamic Structures, Port Coquitlam, Канада

Èçîáðàæåíèå òåëåñêîïà

15


улучшить оптические характеристики и умень-

шить массу конструкции на 10%, что привело к

экономии 5 млн. долларов.

Проект телескопа включает корпус с пово-

ротной частью, крышкой и кольцевой апертурой.

Купол вращается вокруг вертикальной оси, спе-

циальная крышка под углом 45° обеспечивает

возможность работы в наклонной плоскости.

Обе оси двигаются одновременно, что позволя-

ет исследовать любую часть неба в пределах

25° над горизонтом. Опора обеспечивает подде-

ржку оптических приборов и связанного обору-

дования, а также контроль наводки, отслежива-

ния и перемещения.

Для телескопа характерна суммарная пог-

решность качества изображения — допустимая

разница между идеальной картинкой и реаль-

ным изображением в телескопе. Общая погреш-

ность зависит от нескольких факторов. Сегмен-

ты первичного зеркала крепятся на трех приво-

дах, контролирующих высоту зеркала и наклон в

двух плоскостях. При этом нельзя контролиро-

вать остальные оси перемещения. В частности,

речь идет о децентрировке, описывающей две

оси передвижения в плоскости, параллельной

поверхности зеркала, а также вращении в той

же плоскости. В результате возникают оптичес-

кие аберрации, которые необходимо минимизи-

ровать. Остаточная погрешность после коррек-

ции пропорциональна требуемому диапазону

хода привода, в связи с этим, необходимо мини-

мизировать ход привода.

Традиционно при проектировании телеско-

пов инженеры получают ограничения по часто-

там и перемещению, основываясь на требуемых

параметрах допуска. Затем проводится конеч-

ноэлементный расчет для определения отклика

конструкции при движении приводов, а также

при ветровых, гравитационных и температурных

нагрузках. Подобный подход требует комплекс-

ного анализа, который необходимо проводить

для каждого проекта — пока не будет найден оп-

тимальный вариант. Однако команда инженеров

разработала методику, позволяющую оптимизи-

ровать прочностные характеристики конструк-

ции исходя из оптических требований. Специа-

листы компании Dynamic Structures разработали

параметрические модели для создания геомет-

рии в процессе расчета конструкции телескопа.

С помощью ANSYS Mechanical APDL было рас-

смотрено множество вариантов проектов с раз-

личными параметрами. Для каждого варианта

расчета инженеры определяли прочностные ха-

рактеристики с помощью ANSYS и (оценочную

функцию) MFR для хода привода и перемеще-

ния оптики. Увеличение хода привода ухудшает

точность. Движения оптических приборов игра-

ют важную роль в работе устройства, особенно

это касается степеней свободы, не компенсиру-

емых движениями приводов.

MFR-расчет выполнялся с помощью

MATLAB и вызывался из ANSYS Mechanical. При

расчете в модели ANSYS задавалась нагрузка,

извлекались узловые перемещения и запускал-

ся код MATLAB, в котором читался файл пере-

мещений, проводился расчет, параметры MFR

сохранялись в файле результатов. Полученные

данные затем передавались в ANSYS в качестве

скалярных параметров, которые инженеры пе-

Êîíå÷íî-ýëåìåíòíàÿ ìîäåëü îïîðû

Â êà÷åñòâå îäíîãî èç ïàðàìåòðîâ èñïîëüçîâàëñÿ ðàäèóñ øåéêè îñè Õîä ïðèâîäà çåðêàëà M1 (ðàñ÷åò MFR)



16


реносили с помощью APDL в таблицы для оцен-

ки результатов и проведения будущих расчетов.

Расчетные комплексы ANSYS использова-

лись для квазистатических расчетов упругости и

модального анализа. Перемещения узлов опти-

ческих интерфейсов использовались для оценки

абсолютного и относительного перемещения.

Мелкие квазистатические перемещения указы-

вали на высокую жесткость и частоту свободных

колебаний. В расчете MFR позиции всех узлов

оптических интерфейсов импортировались из

модели ANSYS Mechanical в качестве входных

параметров, в результате был получен перечень

рабочих оптических характеристик и требова-

ний к системе ориентации.

Важной конструкторской проблемой стала

оценка допустимой сейсмической нагрузки на

телескоп. Спектральный анализ не мог исполь-

зоваться, поскольку его применяют только к ли-

нейным системам, а в телескопе используется

нелинейная система изоляции основания. В свя-

зи с этим, специалисты Dynamic Structures про-

вели нестационарный расчет с помощью про-

граммных комплексов ANSYS, применяя раз-

личные комбинации нагрузок, возникающих во

множестве сейсмических ситуаций.

Специалисты Dynamic Structures также ис-

пользовали интерфейс ANSYS Mechanical для со-

здания программы, рассчитывающей распреде-

ление энергии деформации в конструкции. Груп-

пы элементов с наибольшей энергией деформа-

ции в первую очередь нуждались в упрочнении.

Для остальных элементов часто могла быть

уменьшена масса. Процесс перераспределения

массы среди групп элементов позволил получить

оптимальные динамические характеристики.

Параметрические расчеты и анализ чувс-

твительности проводились на ранних стадиях

разработки проекта. На этапе разработки кон-

цепции изучались основные геометрические па-

раметры. Например, с помощью упрощенной

модели опорной конструкции определялись раз-

меры и расположение двух больших шеек оси

(несущие элементы). Моделирование подсистем

часто использовалось для понимания прочност-

ных характеристик конструкции на локальном

уровне и максимального упрочнения отдельных

компонентов. Для оценки общих характеристик

впоследствии были разработаны более подроб-

ные модели опорной конструкции. Для оптими-

зации работы устройства необходимо было по-

лучить такие параметры, как размеры и толщи-

на пластинчатых элементов каждой шейки.

Максимальное увеличение диапазона час-

тот управляющей системы важно при минимиза-

ции отклика конструкции на колебания, вызван-

ные действием нестационарной турбулентности.

Диапазон частот является мерой того, насколько

быстро управляющая система может реагиро-

вать на отклонение. Специалисты Dynamic

Structures использовали результаты прочностных

расчетов, работая с APDL и рассчитывая пере-

ходную функцию системы управления привода.

Результаты этих расчетов позволили определить

критические моды, оценить интересующие вари-

анты проектов, а сам процесс проектирования

при этом стал более эффективным и дешевым.

Расчет показал, что наибольшая сила де-

формации приходилась на несколько основных

компонентов подъемника: шестигранный элемент

на вершине конструкции, дополнительные опоры

этого элемента, шейки оси и платформа, на кото-

рой крепится оборудование. Упрочнение этих

компонентов и уменьшение массы остальных поз-

волило сократить общую массу конструкции и

улучшить ее динамические характеристики.

В итоге, новая модель весила на 183 тонн

меньше, действовала более динамично, для нее

характерны более низкая амплитуда ответной

реакции и большая частота при моде 10. Стати-

ческие характеристики рассматривались в рас-

чете MFR — чтобы убедиться, что новый проект

соответствует действующим оптическим требо-

ваниям. Уменьшение массы на 10% позволило

сэкономить 5 % на строительстве опорной конс-

трукции, что составило около 5 млн. долларов.

Ïåðåõîäíàÿ ôóíêöèÿ ñòðóêòóðû àçèìóòà äî è ïîñëå îïòèìèçàöèè

Ôîðìà ìîäû 5 Ãö

17




В настоящее время многие hi-tech компании ра-

ботают над созданием роботов, способных после

высадки на поверхности Луны проехать 500 мет-

ров и передать на Землю видеоизображение вы-

сокого разрешения. По условиям конкурса

Google Lunar X PRIZE, компания, которая первой

выполнит эти условия, получит $20 млн., второй

компании достанется $5 млн. — плюс $5 млн. в

качестве премиальных. Цель данного проекта —

активизировать исследования Луны, найти мес-

та для расположения станций при межпланетных

миссиях, а также исследовать природные ресур-

сы планеты. Данная миссия получила название

«Tranquility Trek» («Путь Спокойствия»).

В соревновании принимает участие 21 ко-

манда, в частности, свои силы решили попробо-

вать специалисты американской компании

Astrobotic Technology Inc. совместно с универси-

тетом Carnegie Mellon (Robotics Institute). В уни-

верситете была оборудована площадка для ис-

пытаний физических прототипов роботов, один

из которых должен быть отправлен на Луну с по-

мощью ракеты Falcon 9 SpaceX.

После старта и выхода на орбиту Луны, по-

садочный модуль будет использовать тормозные

ракеты, что позволит совершить более мягкую

посадку. Затем из модуля на лунную поверхность

будет выпущен робот для начала миссии. Исполь-

зуя 120-ваттные солнечные батареи (а также

вспомогательные батареи), робот будет двигать-

ся со скоростью 5-10 сантиметров в секунду с по-

мощью цепного привода на четыре колёса. Во

время миссии специалисты Astrobotic Technology

проложили следующий маршрут: место высадки

экспедиции Apollo 11 вдоль лунного экватора.

Компания ANSYS выступила в качестве

официального спонсора проекта Astrobotic. В

рамках сотрудничества, проводятся многодис-

циплинарные инженерные расчеты и осущест-

вляется техническая поддержка приложений.

Численные методы использовались при разра-

ботке проекта робота, посадочного модуля и пе-

реходника, соединяющего робота с ракетой.

При выборе концепт-проекта для сборок, в

ANSYS Mechanical проводился расчет напряжен-

но-деформированного состояния основных ком-

понентов и сборок при ускорении 13 g и вибра-

ционных нагрузках при запуске, отделении сту-

пеней, выходе на орбиту и посадке на Луну.

В особенности, инженеров интересовал рас-

чет композиционных материалов структуры робо-

та, поскольку это новшество позволило сочетать

высокую прочность и жесткость устройства с со-

хранением оптимального температурного режима.

В процессе расчетов определялась эффектив-

ность работы переходника, соединяющего робота

с ракетой, при экстремальных нагрузках. Необхо-

димо было узнать, достаточна ли прочность конс-

трукции, чтобы противостоять разрушительным

Технологии ANSYS

Multiphysics помогают

исследовать

поверхность Луны

David Gump, президент компании Astrobotic

Technology Inc., Пенсильвания, США

Ðîáîò äëÿ èññëåäîâàíèÿ ëóííîé ïîâåðõíîñòè Astrobotic ñîäåðæèò ìíîãî÷èñëåííûå êîìïîíåíòû è ïîäñèñòåìû äëÿ ýôôåêòèâíîé ðàáîòû â ñóðîâûõ êîñìè÷åñêèõ óñëîâèÿõ



18


вибрациям ракеты. Расчеты проводились для

оценки различной геометрии и материалов пeре-

ходника, включая титан и алюминий, а также ком-

бинации твердых, сандвич-структур и пористых

углеволоконных композиционных материалов.

Инженеры провели параметрическую оп-

тимизацию проекта с использованием ANSYS

DesignXplorer, также применялись возможности

создания скриптов с помощью ANSYS Parametric

Design Language (APDL). Благодаря скорости

расчетов (за несколько часов автоматически

проводились сотни итераций), специалисты

смогли выбрать оптимальные проекты эконо-

мичного легковесного робота, а также устройств

его доставки на Луну. Используя ANSYS, коман-

да специалистов рассмотрела альтернативные

конструкции и материалы, благодаря чему была

найдена наиболее эффективная их комбинация

на ранних стадиях проектирования — до созда-

ния физического прототипа.

В процессе расчетов использовались кон-

тактные элементы ANSYS для автоматической

передачи механических нагрузок на соединения

между сопряженными деталями (ранее эта про-

цедура выполнялась «вручную»). Те же контакт-

ные элементы использовались для передачи

тепловых нагрузок в этой же области — обеспе-

чивая исчерпывающую информацию о теплопе-

редаче и поле температур конструкции робота.

Благодаря тепловым расчетам ANSYS

Mechanical, инженеры определили оптимальный

проект робота, способного выдержать большие

перепады температур на поверхности Луны. В

частности, под воздействием солнечных лучей,

поверхность прогревается до + 100 °C, а в тени

температура падает до — 200 °C — таким обра-

зом, устройство подвергается огромным тепло-

вым нагрузкам. Специалисты должны были

учесть эти тепловые циклические нагрузки, пос-

кольку из-за теплового расширения детали, ком-

поненты и соединения подвержены возникнове-

нию трещин и разрушениям.

Кроме того, на Луне не существует атмос-

феры, а это означает отсутствие обычного ох-

лаждения. Вентиляторы неэффективны для ох-

лаждения внутренних электронных компонентов

цепи управления, приводов и моторов. Следует

отметить, что лунный реголит — пыль, покрыва-

ющая поверхность Луны — отражает на робота

солнечное излучение и любое внутреннее тепло.

Проблема избыточного тепла была устра-

нена с помощью большой белой панели на боко-

вой поверхности робота, направленной против

солнца — таким образом, тепло отражалось об-

ратно в космос. Многочисленные расчеты прово-

дились для определения оптимальной площади

поверхности и направления излучателя, а также

изучения воздействия солнечных лучей под раз-

личными углами. Таким образом, были изучены

различные несимметричные формы наружной

оболочки робота и проведена оценка теплопро-

водности композиционных материалов робота.

Многодисциплинарные расчеты ANSYS

позволили оценить сотни ситуаций, включаю-

щих комплексные механические и тепловые на-

грузки. Инновационные технологии дали воз-

можность инженерам Astrobotic Technology опти-

мизировать конструкцию на ранних этапах раз-

работки проекта. Эти технологии также будут

использованы на дальнейших этапах разработ-

ки проектов робота и другого оборудования.

Следует отметить, что подобная разработка

оборудования, работающего в сложных косми-

ческих условиях, проводится значительно эф-

фективнее и быстрее по сравнению с традици-

онными методами.

Â ANSYS Mechanical ïðîâîäèëñÿ ðàñ÷åò íàïðÿæåííî-äåôîðìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ îñíîâíûõ êîìïîíåíòîâ è óçëîâ ïðè ìåõàíè÷åñêèõ íàãðóçêàõ ïðè çàïóñêå, îòäåëåíèè ñòóïåíåé, âûõîäå íà îðáèòó è ïîñàäêå íà Ëóíó

Â ANSYS Mechanical ïðîâîäèëñÿ ðàñ÷åò íàïðÿæåííî-äåôîðìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ îñíîâíûõ êîìïîíåíòîâ è óçëîâ ïðè ìåõàíè÷åñêèõ íàãðóçêàõ ïðè çàïóñêå, îòäåëåíèè ñòóïåíåé, âûõîäå íà îðáèòó è ïîñàäêå íà Ëóíó

19




Профессор университета Ubaldo Barberis, зани-

мающий должность менеджера отдела прочнос-

тных расчетов и научных исследований в компа-

нии Ansaldo Group, отвечает на вопросы редак-

ции «ANSYS Advantage».

Итальянская компания Ansaldo занимается

проектированием и производством газовых и па-

ровых турбин, электрогенераторов для электро-

станций во всем мире. Кроме того, сотрудники

компании оказывают услуги, связанные с монта-

жом, запуском, эксплуатацией, мониторингом и

диагностикой оборудования. В рамках выполне-

ния проектов, специалисты Ansaldo проводят

различные расчеты, включая анализ усталостной

долговечности, тепловые и прочностные расчеты

лопаток паровых турбин, расчет газовых горелок,

электромагнитный расчет колец генераторов,

сейсмический анализ оборудования и зданий.

Когда Вы начали заниматься численным моделированием? Какие вопросы Вас интересовали прежде всего?В 1971 я получил диплом инженера-ядерщика в

Туринском университете, после чего остался ра-

ботать в университете на должности ассистента

по моделированию задач машиностроения.

Впоследствии я использовал полученные зна-

ния в области FEA-расчетов, работая в таких

подразделениях Ansaldo Group, как Ansaldo

Nucleare (атомная энергетика), Ansaldo Ricerche

(научные исследования) и Ansaldo Power Energia

(энергетика).

За время работы в отделе прочностных

расчетов и научных исследований мне приходи-

лось использовать различные программные

комплексы для инженерных расчетов. С 1979 г.

наша компания начала активно использовать

ANSYS в своих подразделениях.

Поскольку преподавание компьютерного

моделирования входило в сферу моих научных

интересов, я начал работать преподавателем

методов конечноэлементного анализа в универ-

ситетах Перуджи и Турина. Моей целью было

освещение возможностей использования мето-

да конечных элементов для решения различных

задач.

Как изменилась работа инженера-расчетчика на протяжении последних 30 лет?В течение 1970-х — первой половины 1980-х гг.

инженерное моделирование претерпело немало

изменений. Изначально расчетчики для ввода

данных использовали перфокарты, а таблицы с

результатами выводились на принтер. Возмож-

ности аппаратного обеспечения были весьма

ограничены, особенно это касалось персональ-

ных ЭВМ, для которых время расчетов было

чрезвычайно длительным.

В то время для получения достоверных

результатов расчетчик должен был обладать

высоким уровнем знаний в области информа-

тики. Требовалось изменение исходного кода

для выполнения операций в пост-процессоре и

получения выходных данных в необходимом

формате. Кроме того, любая ошибка при вводе

данных на перфокарте означала, что необходи-

мо было потратить часы, а иногда дни на поиск

и исправление ошибок, а затем нужно было

Применение численного

моделирования для

решения промышленных

задач

Интервью с професором Ubaldo Barberis

об использовании инженерных расчетов ведущими

мировыми компаниями



20


повторить весь процесс решения. Расчетчики

могли получить большой объем информации,

но расчеты проводились в основном для вери-

фикации проекта на поздних стадиях цикла

проектирования.

За последние десятилетия производитель-

ность компьютеров значительно выросла, про-

граммное обеспечение для инженерных расче-

тов стало намного более функциональным, а

пользовательские интерфейсы существенно

улучшились. Благодаря этому, инженеры могут

использовать расчетные комплексы для того,

чтобы в короткий срок сравнивать различные

варианты проектов, прогнозировать возможные

проблемы и вносить изменения на ранних стади-

ях проектирования.

Каким образом пользователи могут достичь максимальной точности при расчетах?Ключевым моментом является обучение — в

форме семинаров для новичков, опытных поль-

зователей и экспертов. Во многих случаях обу-

чение можно провести с помощью Интернета.

Кроме того, важно обмениваться информацией

и идеями с коллегами в рамках встреч групп

пользователей, дискуссионных клубов, профес-

сиональных ассоциаций и других собраний поль-

зователей.

Поддержка может обеспечиваться опытны-

ми пользователями и менеджерами, занимаю-

щимися в компании разработкой решений, рас-

четами, вопросами стандартизации, и внедряю-

щими инновационные подходы для решения

данных проблем. Подобный подход предусмат-

ривает эффективное двухстороннее общение

между менеджерами и пользователями, кроме

того, менеджеры должны постоянно изучать и

находить решение проблем, с которыми сталки-

ваются пользователи.

Дистрибьюторы программного обеспече-

ния играют ключевую роль в обеспечении техни-

ческой поддержки и помощи в решении нестан-

дартных проблем. Дистрибьютор может высту-

пать организатором конференций пользовате-

лей, на которых представители различных ком-

паний могут обмениваться опытом — например,

как это делает компания EnginSoft S.p.A, парт-

нер ANSYS в Италии. Все указанные аспекты

являются важными для получения необходимых

знаний в области инженерных расчетов.

Считаете ли Вы использование компьютерного моделирования частью инвестиционной политики компаний?Безусловно, покупка программного обеспече-

ния для компьютерного моделирования явля-

ется частью инвестиционной политики компа-

нии и должна тщательно планироваться и вы-

полняться. Компании должны следить за экс-

плуатацией, своевременным обновлением и

соответствием аппаратного и программного

обеспечения.

Необходимо принимать во внимание функ-

циональные возможности приобретаемого про-

граммного обеспечения. Кроме того, нужно учи-

тывать репутацию производителя ПО на миро-

вом рынке. Можно сказать, что принимаемое

решение имеет стратегически важное значение

в долгосрочной перспективе — ведь неправиль-

ный выбор может привести к значительным за-

держкам, убыткам и другим последствиям оши-

бок при расчетах. В случае выбора лидирующе-

го программного обеспечения и его корректного

применения, компания может эффективно ис-

пользовать преимущества инновационных тех-

нологий, повышая качество продукции, сокра-

щая затраты и повышая рейтинг своей торговой

марки.

Ïðèìåð ðàñ÷åòà ãîðåëêè ñ íèçêèì âûáðîñîì NOxÏîëå òåìïåðàòóð ëîïàòêè ïàðîâîé òóðáèíû

21



Проектирование судов — сложный процесс, пос-

кольку речь идет о создании массивных и меха-

нически сложных конструкций. Корабли должны

демонстрировать надежность при работе в

сложных условиях, а также соответствовать

международным стандартам. В особенности,

это относится к проектированию судов, предна-

значенных для работы в порту и открытом море,

при этом корпус и внутренние системы должны

быть надежными и долговечными. Кроме того,

такие палубные конструкции, как краны, долж-

ны обеспечивать достаточную прочность и ус-

тойчивость при колебании судна под воздейс-

твием волн.

Специалисты голландской инжиниринго-

вой компании Vuyk Engineering Rotterdam (VER)

использовали компьютерное моделирование

для разработки новых и модернизации сущест-

вующих судов, их проверки на соответствие

международным промышленным стандартам, а

также устранения разнообразных проблем, воз-

никающих при эксплуатации судна. Компания

VER работает в области судостроения, обеспе-

чивая консультационные и инжиниринговые ус-

луги в области проектирования судов, специали-

зированного оборудования, а также исследова-

ний соответствующих процессов. С 2002 г. спе-

циалисты компании используют исключительно

программное обеспечение ANSYS Mechanical

для проведения прочностных расчетов: получе-

ние распределения напряжений, упругой дефор-

мации, силы противодействия и усталостного

расчета деталей. Кроме того, инженеры исполь-

зуют программные комплексы ANSYS для дру-

гих видов расчетов — в частности, анализа виб-

рации конструкций и ударных нагрузок при со-

ударении нескольких конструкций. Специалисты

Vuyk остановили свой выбор на ПО ANSYS пос-

ле тщательного анализа конкурирующих про-

граммных продуктов — принимая во внимание

гибкость программного кода, спектр используе-

мых приложений, репутацию компании и исполь-

зование программных продуктов ведущими ми-

ровыми компаниями.

С 2007 г. в компании VER используется ПО

ANSYS AQWA для расчетов гидродинамических

нагрузок на объекты морского строительства,

включая анализ возникающих напряжений и ус-

талостный расчет.

Программный комплекс может использо-

ваться для определения отклика судна на воз-

действие волн. С помощью ANSYS AQWA можно

определить такие важные параметры, как рас-

качивание груза при подъеме, относительное

перемещение пришвартованного судна, взаимо-

действие с соседними кораблями, способность

Применение

инновационных

технологий при

проектировании грузовых

судов

Kuno van den Berg, менеджер проектов, Gijsbert Jacobse, инженер,

Michiel Verdult, инженер, компания Vuyk Engineering Rotterdam b.v., Нидерланды

Ñàìîõîäíûé ïëàâó÷èé êðàí Matador 3 íà îáúåêòå ìîðñêîãî ñòðîèòåëüñòâà



22


судна сохранять заданное положение при силь-

ном волнении на море. Чрезвычайно важной яв-

ляется возможность быстрого обмена данными

между ANSYS AQWA и ANSYS Mechanical, что

позволяет комплексно рассматривать прочност-

ные и гидродинамические явления.

До покупки ANSYS AQWA, специалисты

VER использовали двухмерный код, который

имел ограничения и применялся для узкого спек-

тра стандартных корпусов. Кроме того, невоз-

можно было проводить анализ чистых волновых

нагрузок или расчет движения нескольких тел. В

подобных случаях специалисты компании вы-

нуждены были обращаться в специализирован-

ные научно-исследовательские центры.

Внедрение ANSYS AQWA позволило инже-

нерам проводить комплексный гидродинамичес-

кий анализ и получить более полную картину,

отражающую эксплуатационные характеристи-

ки судна. Кроме того, специалисты получили

возможность проводить расчеты намного быст-

рее, изменяя параметры и сравнивая различные

варианты проектов. Проведение собственных

нестационарных расчетов динамического дви-

жения позволило компании VER стать лидером

на рынке инжиниринговых услуг в области судо-

строения.

Увеличение грузоподъемностиВ одном из проектов специалисты VER исполь-

зовали программный комплекс ANSYS для уве-

личения грузоподъемности самоходного плаву-

чего крана Matador 3, используемого в портах,

на объектах морского строительства, при удале-

нии обломков затонувших судов, а также при

строительстве мостов на реках и каналах.

Кран Matador состоит из двух навесных,

регулируемых А-образных опор с подъёмным

устройством, которое удерживается закреплен-

ными на палубе канатами и приводится в движе-

ние с помощью приводной лебёдки. Matador 3,

один из наибольших самоходных плавучих кра-

нов в мире, достигает высоты 70 м. Два подъём-

ных блока на верхних точках каждой конструк-

ции поднимаются и опускаются с помощью кана-

тов и лебедки. Кроме того, А-образные опоры

Ðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèå âî âñåé ïîäúåìíîé êîíñòðóêöèè Matador 3 (ââåðõó), à òàêæå â îòäåëüíûõ äåòàëÿõ — â ÷àñòíîñòè, â îïîðíûõ ïëèòàõ (âíèçó)

Ïðè äèôðàêöèîííîì àíàëèçå îïðåäåëÿåòñÿ ðàñêà÷èâàíèå è óñòîé÷èâîñòü ïîäíèìàåìûõ ãðóçîâ

23


также могут использоваться для подъема гру-

зов.

Целью расчета было изменение конструк-

ции при увеличении грузоподъемности от 600 до

900 тон. Инженеры решили поставленную зада-

чу, увеличив количество шкивов, используемых

в канатной передаче, а также для удержания А-

образных опор. Специалисты использовали ПО

ANSYS Mechanical для оптимизации грузоподъ-

емности крана — подъёмная рама моделирова-

лась с помощью балочных элементов, рассчиты-

вались силы противодействия в точках изгиба и

напряжения во всех деталях конструкции. Про-

ведя параметризацию модели, команда инжене-

ров смогла быстро ввести различные угловые

переменные для получения кривых подъема и

грузоподъемности.

В некоторых случаях ПО ANSYS AQWA ис-

пользовалось для получения движения и нагру-

зок на конструкцию, поскольку волны различной

высоты и частот воздействуют на судно под

разными углами. В таком случае судно и конс-

трукция крана моделировались отдельно от

подъемной конструкции, а затем в общую гид-

родинамическую модель добавлялись такие

элементы, как канаты. В процессе расчетов оп-

ределялся рабочий диапазон конструкции отно-

сительно грузоподъемности крана и точности

размещения.

Кроме того, специалисты VER выполнили

ряд расчетов для проектов в открытых водо-

емах, включая анализ движения крана Matador

при различной волновой нагрузке при подъеме

груза, а также транспортировке и установке вы-

соковольтной станции ветровых турбин в Север-

ном море. Комплекс ANSYS AQWA использовал-

ся для определения максимальной высоты волн,

допустимой для различных периодов волны

(время между вершинами волны). Используя ре-

зультаты расчетов, судоходные компании смог-

ли согласовывать свой график с прогнозом по-

годы на время передвижения судна из порта в

открытое море. Благодаря этому все детали вет-

ровой турбины были успешно перевезены и ус-

тановлены.

Расчеты на ранних стадиях проектированияСпециалисты компании использовали програм-

мные комплексы ANSYS Mechanical и ANSYS

AQWA в одностороннем связанном расчете, в

котором гидродинамические нагрузки от давле-

ния на внешнюю сторону корпуса судна, полу-

ченные в ANSYS AQWA, прямо передавались в

ANSYS Mechanical для определения прочности

конструкции дноуглубительного судна. В част-

ности, необходимо было проверить продольный

изгиб в средней части судна, рассчитать напря-

жения при расчёте эквивалентного бруса, а так-

же провести анализ усталостной долговечности

на основе полученных напряжений.

Вначале в ANSYS Mechanical с помощью

оболочечных элементов была создана конечно-

элементная модель, содержащая основные де-

тали корабля: наружный корпус, балки и конс-

трукция верхней части корпуса. При этом была

показана только основная геометрия и распре-

деление массы — и расчет мог проводиться на

ранних этапах проектирования, за пять месяцев

до завершения проекта. Таким образом, резуль-

таты подобного расчета могли использоваться

на всех последующих этапах проектирования

судна.

Чтобы получить распределение напряже-

ний по всему периметру корпуса при воздейс-

твии волн на судно, в ANSYS AQWA проводил-

ся трехмерный дифракционный анализ. За ос-

нову была взята конечноэлементная модель

корпуса — обеспечивающая полную совмести-

мость между конечноэлементным и дифракци-

онным расчетами.

Инженеры VER сравнили нагрузки в стоя-

чей воде с рабочими волновыми нагрузками, по-

лученными в ANSYS AQWA. Затем эти данные

использовались в ANSYS Mechanical для опреде-

ления напряжений и деформации балок. В рас-

чете выяснилось, что основная концентрация

напряжений приходится на заднюю часть основ-

ной палубы. Добавление более плотных плит на-

стила и балок позволило укрепить конструкцию.

В последствии усталостный расчет показал, что

измененная конструкция является более прочной

и долговечной.

В одном из последних проектов проводил-

ся связанный расчет эквивалентного бруса суд-

на «Pieter Schelte», крупнейшего трубоукладоч-

ного судна в мире (длина — 1,250 футов, шири-

на — 380 футов). Вследствие большой разницы

в соотношении длина — ширина, стандартные

правила проектирования судов не применимы.

В связи с этим, использовался программный

комплекс ANSYS AQWA, что позволило создать

оптимальный проект в кратчайшие сроки.

Ìîäåëü ñóäíà â ANSYS Mechanical



24

Ведущий швейцарский производитель бытовых

приборов, компания V-ZuG AG имеет репутацию

новатора в сфере разработки новых проектов

крупной бытовой техники, например, созданная

специалистами кухонная вытяжка обеспечива-

ет прекрасную вентиляцию и является несом-

ненным украшением кухни с эстетической точки

зрения. Такие продукты демонстрируют фило-

софию компании — создание продуктов, кото-

рые лучше всего отвечают требованиям клиен-

тов. Благодаря экологической политике компа-

нии, V-ZuG была признана «лучшей швейцарс-

кой компанией в области охраны окружающей

среды» по версии журнала Reader’s Digest.

Специалисты V-ZuG начали использовать

конечноэлементные коды в 1996 г. Основная

цель была определить, смогут ли детали конс-

трукций выдерживать нагрузки, избежать резо-

нансных явлений при рабочих частотах и др.

Собственный конечноэлементный код компании

был достаточно мощным инструментом, однако

требовал значительных знаний и подготовки для

корректного использования. После тщательного

анализа конкурирующих продуктов, специалис-

ты V-ZuG определили, что программный комп-

лекс ANSYS для прочностного анализа макси-

мально отвечал требованиям к расчетам. В час-

тности, была важна интеграция с CAD-системой

CATIA V5, простота использования для проекти-

ровщиков и расчетчиков. Техническую подде-

ржку оказывала немецкая компания CADFEM.

В частности, специалисты V-ZuG использо-

вали ANSYS для расчета кухонной плиты, имею-

щей стальную дверцу со стеклом, приклеенным

к раме. Изначально, когда плита работала при

высоких температурах (500°C), стекло треска-

лось вследствие тепловых нагрузок. Для прове-

дения расчета инженеры импортировали геомет-

рию двери из CATIA в ANSYS Workbench и моде-

лировали тепловые нагрузки с использованием

ANSYS DesignSpace. Результаты расчетов согла-

совались с результатами экспериментов — на-

ибольшая нагрузка приходилась на углы, где и

начинались трещины. Затем специалисты с по-

Разработка крупной

бытовой техники

с помощью ANSYS

Workbench

Hilmar Meienberg, CFD-инженер, компания V-ZUG AG, Zug, Швейцария

Êóõîííàÿ ïëèòà V-ZUGÑòåêëî íà äâåðöå ïðîòîòèïà, òðåñíóâøåå îò òåïëîâûõ íàãðóçîê

25


мощью ANSYS DesignSpace проанализировали

различные материалы, чтобы определить, какой

из них выдержит подобные тепловые нагрузки.

В другом расчете использовалась модель

стиральной машины. Разработчики увеличили

вместительность машины от 5 кг до 8 кг сухого

белья. Подобное изменение вызвало необходи-

мость разработки системы вибропоглощения; в

противном случае при отжиме могли наблюдать-

ся несбалансированные нагрузки. Для решения

задачи использовался программный комплекс

ANSYS Mechanical. В собственном коде компании

использовался вектор момента вращения для

моделирования неуравновешенной силы. В

ANSYS Mechanical специалисты V-ZuG модели-

ровали четыре стойки, задали барабан как ротор,

в расчете использовался эффект Кориолиса.

Комплексный модальный анализ показал, что ре-

зонансные частоты не наблюдались. Следующим

шагом был переходной динамический анализ.

Четырехузловой тетраэдральный элемент,

который появился в релизе ANSYS 12.0, исполь-

зовался для расчета резиновой мембраны, со-

единяющей барабан с корпусом. Значительно

ускорило процесс автоматическое создание сет-

ки. Затем проводился квазистатический нели-

нейный расчет гиперупругих материалов при

девяти различных нагрузках. Результаты расче-

тов хорошо согласовались с экспериментом. В

связи с этим, инженеры компании V-ZuG смогли

рассмотреть большое количество различных ва-

риантов проектов за относительно короткий

промежуток времени. В итоге, они смогли су-

щественно улучшить конструкцию мембраны,

благодаря чему в конце фазы стирки воды на

ней уже не было.

Компания V-ZuG приняла решение исполь-

зовать исключительно продукты ANSYS для

прочностных расчетов, благодаря чему время

анализа сократилось вдвое по сравнению с ис-

пользуемым ранее. Благодаря простоте исполь-

зования, проектировщики теперь также могут

активно использовать программные комплексы

ANSYS, так как раньше сложность внутреннего

кода не позволяла многим специалистам зани-

маться инженерными расчетами.

Быстрое проведение расчетов означает

возможность работы с большим количеством

вариантов проекта и выбором лучшего решения,

что дает возможность специалистам V-ZuG со-

здавать инновационные продукты при сокраще-

нии затрат на проектирование.

Íàèáîëüøàÿ íàãðóçêà ïðèõîäèëàñü íà óãëû, ãäå è íà÷èíàëèñü òðåùèíû

Ïðîáëåìà ðàñòðåñêèâàíèÿ áûëà ðåøåíà çàìåíîé ìàòåðèàëà

Êîíå÷íîýëåìåíòíàÿ ìîäåëü ñòèðàëüíîé ìàøèíû

×åòûðåõóçëîâîé òåòðàýäðàëüíûé ýëåìåíò èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ ðàñ÷åòà ðåçèíîâîé ìåìáðàíû

Äèíàìè÷åñêèé àíàëèç ñèñòåìû îòæèìà ïîêàçàë, ÷òî ðåçîíàíñíûå ÷àñòîòû íå íàáëþäàþòñÿ



26


ВведениеПассажирские кресла являются одним из важ-

ных элементов, обеспечивающих защиту пасса-

жиров в условиях аварийной посадки. Согласно

требованиям, изложенным в главе 25.562 «Ави-

ационных правил», «каждая типовая конструк-

ция кресла должна успешно пройти динамичес-

кие испытания, или быть оценена посредством

расчетного анализа на основе динамических ис-

пытаний кресла подобного типа… Кресло долж-

но оставаться закрепленным во всех точках

крепления, хотя его конструкция может быть де-

формирована… При этом кресла не должны де-

формироваться в такой степени, чтобы созда-

вать помехи быстрой эвакуации людей из само-

лета»[1].

В отчете представлены результаты срав-

нительного анализа силовой работы деталей

узла крепления задней ножки пассажирского

блока кресел для двух вариантов конструктив-

ного исполнения HU_7511_900 и HU_7511_600

(см. рис. 1).

Постановка задачиНа основании результатов расчета продольно-

бокового удара двух трехместных блоков пасса-

жирских кресел, выполненного в рамках дого-

ворных работ Саровским инженерным научным

центром, были получены нагрузки на узлы креп-

ления (см. рис. 2) кресел к рельсам в диапазоне

длительности импульса 0–160 мс (интервал из-

менения ударного импульса — см. рис. 3) при

максимальной перегрузке 16g.

Далее в среде ANSYS 13.0 проведено ком-

пьютерное моделирование процесса упруго-

пластического деформирования конструкции с

учетом контактного взаимодействия сопрягае-

мых деталей (нелинейный статический анализ).

Исходные данные для анализа1. Максимальная расчетная нагрузка действую-

щая на задний узел крепления ножки кресла к

рельсу Pmax = 3650 кгс (см. рис. 2).

2. Конструктивное исполнение узлов креп-

ление задних ножек пассажирского кресла и

твердотельные 3D модели узлов HU_7511_900 и

HU_7511_600 показаны на рис. 6 и 7.

3. Физико-механические характеристики

применяемых материалов, представленные в

таблице 1.

Построение конечно-элементной моделиМоделирование конструкции осуществляется

элементами сплошной среды типа SOLID.

Размерность задачи для узла HU_7511_600:

• Число узлов Nузл = 91444;

• Количество элементов Nэл = 37294.

Размерность задачи для узла HU_7511_900:

• Число узлов Nузл = 113659;

• Количество элементов Nэл = 27823.

Расчет узла крепления

задней ножки

пассажирского кресла

в ANSYS

Чухонцев Сергей Валерьевич,

Ульяновский филиал конструкторского бюро ОАО «Туполев» (УФКБ)

Ðèñ. 1à. Îáùèé âèä áëîêà êðåñåë è âàðèàíòû êîíñòðóêòèâíîãî èñïîëíåíèÿ óçëîâ åãî êðåïëåíèÿ ê ðåëüñàì

27


На рис. 8 и 9 приведены конечно-элемент-

ные модели.

Выводы1. Выполнен расчет нагружения узла креп-

ления задней ножки пассажирского кресла.

2. При эквивалентной нагрузке характер

деформации рельса и узлов крепления задней

ножки кресла практически одинаковый для двух

вариантов (см. рис. 14 и 15).

3. Напряжения в полках рельса по первым

«грибками» в местах контакта с деталью HU_

7511_612 в исполнении HU_7511_600 более

чем 11% выше по сравнению с деталью HU_

Òàáëèöà 1. Ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ïðèìåíÿåìûõ ìàòåðèàëîâ

Ìàòåðèàë ρ, ã/ñì3 E, ÌÏà Eñæ, ÌÏà G, ÌÏà ν σ0.2, ÌÏà σâ, ÌÏà σïö, ÌÏà δ, % τâ, ÌÏà

30ÕÃÑÀ ñ ÒÎ 7,87 200000 210000 77000 0.3 850 1100 750 10 693

Â95î÷Ò2 2,85 72000 73500 27000 0.31 460 520 370 10 286

Ðèñ. 1. Êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü è ÊÝ–ìîäåëü (LS-DYNA)

Ðèñ. 2. Ñõåìà íàãðóæåíèÿ óçëîâ êðåïëåíèÿ

Ðèñ. 3. Âíåøíåå âîçäåéñòâèå

Ðèñ. 4. Äèàãðàììà ðàñòÿæåíèÿ 30ÕÃÑÀ.

Ðèñ. 5. Äèàãðàììà ðàñòÿæåíèÿ Â95î÷Ò2



28


7511_902 в варианте HU_7511_900 (см. рис. 16

и 17).

4. Наличие в детали HU_7511_612 отверс-

тий облегчения d = 6.2 мм создает концентра-

цию напряжений в «грибках» (см. рис. 12 и 13).

При этом отмечено 6% превышение напряжений

в данной детали по сравнению с уровнями на-

пряжений в аналогичной детали HU_7511_902.

По результатам расчета можно сделать вы-

вод, что рассматриваемые в отчете варианты

Ðèñ. 6. Óçåë HU_7511_600

Ðèñ. 7. Óçåë HU_7511_900

Ðèñ. 8. ÊÝÌ óçëà HU_7511_600

Ðèñ. 9. ÊÝÌ óçëà HU_7511_600

Ðèñ. 10. Ðàñ÷åòíàÿ ñõåìà

Ðèñ. 11. Ðàñ÷åòíàÿ ñõåìà

Ðèñ. 12. Ýêâèâàëåíòíûå íàïðÿæåíèÿ â äåòàëÿõ óçëà HU_7511_600

Ðèñ. 13. Ýêâèâàëåíòíûå íàïðÿæåíèÿ â äåòàëÿõ óçëà HU_7511_900

29


конструктивного исполнения узлов крепления

блоков пассажирских кресел обеспечивают ста-

тическую и динамическую прочность в условиях

аварийной посадки самолета, а также крепле-

ние кресел к полу во всем диапазоне заданных

перегрузок.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Àâèàöèîííûå ïðàâèëà (ï.25.562).2. Îò÷åò ¹ 670002 «Ðàñ÷åò äåôîðìàöèé áëîêà

êðåñåë â óñëîâèÿõ àâàðèéíîé ïîñàäêè» îò 30.03.2010 (Ñàðîâñêèé èíæåíåðíûé öåíòð).

3. Ansys 13.0 User'S Guide.

Ðèñ. 14. Äåôîðìàöèè ñèñòåìû óçåë HU_7511_600–ðåëüñ

Ðèñ. 15. Äåôîðìàöèè ñèñòåìû óçåë óçëà HU_7511_900–ðåëüñ

Ðèñ. 17. Ýêâèâàëåíòíûå íàïðÿæåíèÿ â ðåëüñå (óçåë HU_7511_900)

Ðèñ. 16. Ýêâèâàëåíòíûå íàïðÿæåíèÿ â ðåëüñå (óçåë HU_7511_600)

«ãðèáîê» ¹1



30


Если бы существовала возможность ис-

пользовать весь потенциал энергии оке-

анских волн, он бы составил более 500

норм мирового энергопотребления (от 2

до 4 триллионов кВт/ч в год). По мнению

Международного совета по энергетике,

доля энергии океана в мировом потреб-

лении может реально составлять около

10%.

Однако волновая энергетика исследова-

на значительно меньше по сравнению с

солнечной, ветровой и энергией органи-

ческих топлив. Еще предстоит провести

немало исследований по оптимизации

проектов установок волноэнергетики.

Необходимо повысить эффективность и

сократить расходы до уровня соответс-

твия международным энергетическим

стандартам.

Компания Columbia Power Technologies

(COLUMBIA POWER) занимается разработкой

волновых генераторов. Совместно с универси-

тетом Орегона, сотрудники компании разраба-

тывают инновационные проекты в области энер-

гетики.

Преимущества использования энергии

волн:

• Удельная мощность: энергия волн намно-

го плотнее по сравнению с другими источ-

никами возобновляемой энергии. Подоб-

ные установки, размещенные на малень-

кой территории, вырабатывают большие

объемы электроэнергии.

• Прогнозируемость: количество энергии,

вырабатываемой волнами, можно точно

определить на несколько дней вперед.

• Стабильность: в отличие от солнечной

энергии, океан вырабатывает энергию 24

часа в сутки.

• Близость к центрам потребления: энер-

гия волн не требует существенных затрат

на передачу электроэнергии, поскольку

37% населения Земли живет на расстоя-

нии до 60 миль от побережья, а 70 % — на

расстоянии 200 миль.

Однако волновая энергетика изучена го-

раздо меньше по сравнению с остальными спо-

собами генерации энергии. Компаниям-операто-

Оптимизация конструкции

волновой энергоустановки

Bradford S. Lamb, президент, и Ken Rhinefrank, вице-президент,

компания Columbia Power Technologies, LLC, Corvalis, США

Ïîäãîòîâêà ê òåñòèðîâàíèþ âîëíîâîé ýíåðãîóñòàíîâêè

31


рам необходимо значительно повысить эффек-

тивность и сократить затраты на проектирова-

ние, чтобы продемонстрировать потенциальным

клиентам и инвесторам жизнеспособность и

конкурентность продуктов. Компаниям, работа-

ющим в других отраслях энергетики для этого

понадобились десятки лет — однако для волно-

вой энергетики это слишком долго. Для дости-

жения поставленных целей, необходимо быстро

совершенствовать проекты при ограниченном

бюджете на проектирование.

Компания COLUMBIA POWER разрабаты-

вает системы прямого привода, позволяющие

избежать перехода на пневматический и гидрав-

лический привод и предотвратить связанные с

этим потери. По мнению специалистов компа-

нии, системы прямого привода — это будущее

волновой энергетики, поскольку они более эф-

фективны, надежны и просты в использовании.

Основной проблемой стала оптимизация конс-

трукции бакена — она должна быть оптималь-

ной для выработки максимального количества

энергии. Относительная ширина захвата — мера

эффективности устройства при улавливании до-

ступной энергии волны. Если эта величина рав-

на 1, это означает, что бакен улавливает 100%

доступной энергии волн.

Для оптимизации конструкции бакена, спе-

циалисты компании изучили возможности раз-

личных гидродинамических кодов и выбрали

ANSYS AQWA из-за простоты использования и

хорошего согласования результатов с экспери-

ментальными данными. Инженеры COLUMBIA

POWER оценили возможность получения в

ANSYS AQWA решений в частотной области и

нестационарной постановке.

Решения в частотной области можно полу-

чить быстрее, благодаря чему можно в сжатые

сроки рассмотреть различные формы бакена.

Нестационарные расчеты обеспечивают высо-

кую степень точности, необходимую для выбора

оптимальной формы на более поздних стадиях

проектирования.

Вначале специалистами был создан кон-

цепт-проект в SolidWorks, построен прототип и

протестирован по шкале 1/33 в волновом бас-

сейне лаборатории Hinsdale при университете

Орегона. Использовались камеры высокого раз-

решения для слежения за светодиодами на ба-

Èñïîëüçîâàíèå ANSYS AQWA ïîìîãëî óäâîèòü ýôôåêòèâíîñòü ýíåðãåòè÷åñêèõ óñòàíîâîê

Èçìåíåíèå ôîðìû óñòàíîâêè â çàâèñèìîñòè îò ïåðèîäà âîëíû



32


кене и измерения его движения на волнах. Ин-

женеры экспортировали созданный концепт-

проект в комплекс ANSYS AQWA для нестацио-

нарных расчетов. Использовался режим волне-

ния с амплитудой и частотой, полученными при

измерениях в волновом бассейне. Было отмече-

но очень хорошее согласование между измере-

ниями и результатами расчетов в ANSYS AQWA.

Впоследствии инженеры стали использовать

ANSYS AQWA как основной инструмент для оп-

тимизации формы бакена из армированного

пластика.

С помощью ANSYS AQWA специалисты

компании COLUMBIA POWER проанализирова-

ли уже 350 различных вариантов геометрии ба-

кена. Кроме того, ведется совместная работа с

компанией Ershigs Inc., проводящей прочност-

ные расчеты, а также дающей заключение о со-

ответствии проекта требованиям рынка и эколо-

гическим нормам. Для расчетов в области час-

тот специалисты COLUMBIA POWER использо-

вали синусоидальную форму волны и набор

частот от 2 с до 20 с. Полученные в ANSYS AQWA

операторы амплитудной характеристики исполь-

зовались для расчета относительного крутяще-

го момента и скорости бакена, а также относи-

тельной ширины захвата.

Когда специалисты нашли оптимальную

форму бакена, они перешли к нестационарным

расчетам, что дало возможность учесть нели-

нейные эффекты волны. При различных режи-

мах волнения были проанализированы опти-

мальные формы, полученные при моделирова-

нии в области частот. Одновременно проводи-

лась оптимизация механизма отбора мощнос-

ти, обеспечивающего переход механической

энергии в электрическую. Результаты расчетов

ANSYS AQWA были проанализованы в пост-

процессоре Matlab® Simulink® для получения

реактивного момента системы и выходной

мощности. Проводился связанный расчет для

нестационарной модели ANSYS AQWA и Matlab

Simulink (линейный и нелинейный режим рабо-

ты механизма). Результаты ANSYS AQWA им-

портировались в Simulink, благодаря чему была

создана модель механизма отбора мощности и

алгоритм управления. Алгоритм управления

адаптирует механизм отбора мощности к ре-

жиму волнения посредством изменения тока,

вырабатываемого генератором, что, в свою

очередь, изменяет механическую нагрузку на

систему.

Это позволяет рассматривать в одной мо-

дели влияние различных форм бакена, проектов

системы отбора мощности и алгоритмов управ-

ления; также это дает возможность определить

выработку электроэнергии при различных режи-

мах волнения.

Недавно специалисты COLUMBIA POWER

начали использовать программный комплекс

Maxwell для оптимизации проектов генератора.

Проводилось сравнение трех различных про-

граммных комплексов, и был сделан вывод, что

Maxwell — наиболее простой в использовании и

самый стабильный в получении результатов.

Комплекс Maxwell используется для анализа

электромагнитных характеристик генератора —

при изменении таких параметров, как зазор

между ротором и статором, различные геомет-

рические модели магнита, различные типы маг-

нита, различные виды стали. Специалисты ста-

вили своей целью добиться максимальной вы-

работки энергии при минимизации затрат.

Поскольку финансирование разработок

достаточно ограниченное, инженеры должны

постоянно демонстрировать эффективность ис-

пользуемой стратегии. Делая ставку на компью-

терное моделирование и ограничивая проведе-

ние физических экспериментов (последние ис-

пользуются только для верификации), компания

COLUMBIA POWER достигла гораздо лучших

результатов по сравнению с использованием

традиционных методов. Программные комплек-

сы ANSYS AQWA и Maxwell позволили исправить

проектные ошибки на ранних этапах проектиро-

вания, что значительно сократило общие затра-

ты компании. В частности, использование

ANSYS AQWA помогло удвоить эффективность

энергетических установок компании. Компания

ANSYS помогла достичь этих результатов, обес-

печив техническую поддержку и обучение спе-

циалистов компании.

Ìîäóëü Maxwell èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ îïòèìèçàöèè êîíñòðóêöèè ãåíåðàòîðà

33




Обычно электростанции работают на фиксиро-

ванных нагрузках и при докритических условиях

(до 220 бар). В сегодняшних непростых экономи-

ческих условиях электростанции зачастую долж-

ны работать при переменных нагрузках для

удовлетворения существующего спроса и повы-

шения эффективности работы. При этом работа

часто проводится при закритических условиях.

Соответственно, перепускные клапаны турбин

осуществляют циклы более часто и работают

при более высоких температурах. В результате,

клапаны подвергаются большим тепловым и ме-

ханическим нагрузкам.

В связи с этим, специалисты индийской

компании Control Components Inc. (CCI) должны

были модернизировать конструкцию перепуск-

ных клапанов турбины. Для этих целей проводи-

лись расчеты с использованием гидродинами-

ческих кодов ANSYS, что позволило инженерам

CCI получить визуализацию полевых величин в

клапане, а также оценить гидравлические и теп-

ловые нагрузки, которым подвергается клапан.

Результаты расчетов помогли найти оптималь-

ное решение для существующих проблем.

Компания Control Components Inc. является

ведущим мировым производителем перепуск-

ных клапанов и заглушек. Клапаны пропускают

поток высоко давления и температуры в обход

турбины (ВД, СД и НД) из паропровода в холод-

ную подводящую промежуточного перегрева

или конденсатор. Перепускные клапаны позво-

ляют парогенератору и турбине работать неза-

висимо друг от друга в фазе пуска и закрытия, а

также при изменении нагрузки. В соответствии с

условиями работы, переходной клапан должен

за собой создавать большое снижение давления

в жидкости (200 бар).

Кроме того, клапан производит контроль

температуры — добавляя воду в пар, снижая его

энтальпию. Этот процесс, который называют по-

нижением температуры перегретого пара,

уменьшает способность пара производить меха-

ническую работу и выделять тепло.

В процессе модернизации конструкции

клапана, инженеры компании CCI столкнулись с

несколькими техническими проблемами. Прове-

дение физических экспериментов было ограни-

чено вследствие больших затрат. Даже в случае

проведения подобных испытаний, полученные

результаты не давали бы всей необходимой ин-

формации. При этом не было бы возможности

наблюдать за режимами технологического про-

цесса внутри клапана, на входе или на выходе.

Оптимизация конструкции

перепускного клапана

в ANSYS CFD

Jeetendra Kumar Singh, менеджер, Control Components Inc., Бангалор, Индия

Ïåðåïóñêíîé êëàïàí òóðáèíû Ïîëå ñêîðîñòåé â ñå÷åíèè êëàïàíà



34


Стоит отметить, что моделировать пониже-

ние температуры перегретого пара очень слож-

но. В большинстве гидродинамических задач

достаточно допустить, что жидкость иметь пос-

тоянную плотность или подчиняется закону иде-

ального газа. Однако падение давления в клапа-

не настолько высоко, что пар необходимо зада-

вать как реальный газ для получения точного

поля температур в клапане. В программном ком-

плексе ANSYS CFX содержится встроенная мо-

дель реального газа, обеспечивающая получе-

ние точных результатов при критических услови-

ях. Уравнения реального газа также обеспечи-

вают точные результаты для потока с фазовым

переходом.

Вначале инженеры должны были полу-

чить поле скоростей на входе. В то время как

на впуске можно легко измерить температуру

и давление, в прошлом было практически не-

возможно определить реальное распределе-

ние скоростей в поперечном сечении патрубка

на входе. Впускные патрубки расходятся в раз-

ных направлениях, и в связи с этим поле ско-

ростей на входе достаточно неоднородное, что

существенно влияет на работу клапана. Для

решения данной проблемы впускные патрубки

моделировались отдельно. Использовалась

возможность экспорта граничных условий

ANSYS CFX для передачи поля скоростей в

модель клапана.

Затем инженеры CCI приступили к модели-

рованию распределительного клапана c исполь-

зованием геометрической модели SolidWorks.

Следует отметить, что геометрия клапана очень

сложная. Для моделирования первой секции тре-

бовалась высокая точность, поскольку она вос-

принимает основную часть тепловых нагрузок.

Затем специалисты CCI с помощью сеточ-

ного генератора ANSYS ICEM CFD создали до-

статочно мелкую гексаэдральную сетку для пер-

вой секции клапана. В клапане поток делится на

две области: зона падения давления и зона по-

нижения температуры перегретого пара. Резуль-

таты нестационарного расчета показали, что

течение в клапане отличается от прогнозируе-

мого. Инженеры передали поле давления и эк-

вивалентный момент из CFD расчета в ANSYS

Mechanical для проведения прочностного расче-

та основных деталей клапана.

Компьютерное моделирование дало воз-

можность за несколько недель провести модер-

низацию конструкции перепускного клапана —

при использовании традиционных методов эта

работа заняла бы около 12 месяцев. В резуль-

тате были существенно сокращены техничес-

кие затраты и получена улучшенная модель

клапана.

Ïîëå äàâëåíèé â ñå÷åíèè êëàïàíà Ïîëå íàïðÿæåíèé

35




В статье приводятся результаты чис-

ленного моделирования ветрового воз-

действия на высотную (надземную)

часть многофункционального высотного

комплекса в газодинамическом пакете

ANSYS CFX.

Основной целью исследования было опре-

деление ветровой нагрузки на надземную часть

комплекса с учетом прилегающих зданий и вет-

ро-климатических условий в районе строитель-

ной площадки. Численный расчет обтекания

ветровым потоком 3D-модели высотного комп-

лекса выполнялся с восьми сторон для выявле-

ния самого неблагоприятного расчетного случая

(по ветровому) давлению.

Согласно МГСН 4.19-2005 [1] при расчете

высотных зданий на ветровые нагрузки необхо-

димо учитывать общие положения раздела 6

СНиП 2.01.07-85∗ [2] и следующие воздействия

ветра:

-— средние и пульсационные составляющие

расчетной ветровой нагрузки, действую-

щие на элементы ограждения;

— максимальные значения ветровой нагруз-

ки, действующие на элементы ограждения.

Другие расчеты в соответствии с нормами

МГСН 4.19-2005 в данной работе не выполня-

лись.

Необходимая информация о распределе-

нии ветровых нагрузок на высотные сооруже-

ния сложной конфигурации может быть получе-

на по результатам продувок в аэродинамичес-

ких трубах, либо с помощью методов компью-

терного моделирования. При использовании

любого из указанных методов возникают оче-

видные проблемы адекватного моделирования

натурных условий и явлений. Однако главными

преимуществами компьютерного моделирова-

ния является его низкая стоимость и возмож-

ность исследовать аэродинамические характе-

ристики высотных зданий в широком диапазоне

чисел Рейнольдса, с учетом вязкости, изменчи-

вости климатических условий, без упрощения

геометрии объекта и его масштабирования, а

также с учетом дополнительных осложняющих

факторов.

Наряду с расчетом интегральных харак-

теристик, технологии компьютерного модели-

рования позволяют получить локальные значе-

ния любых рассчитанных газодинамических

параметров в трехмерном поле течения вблизи

объекта и на его поверхности: в любой точке

или наборе точек, в виде графиков, изополей

и т. п.

Методы компьютерного моделирования ос-

нованы на численном решении нестационарных

уравнений Навье-Стокса и выделены в отде-

льную дисциплину, которая носит название вы-

числительная гидродинамика (англ. CFD —

Computational Fluid Dynamic).

Применение CFD-методов в практике стро-

ительных расчетов только начинается, однако

уже сейчас видно, что их использование позво-

лит значительно ускорить процесс проектирова-

ния и существенно снизит финансовые и мате-

риальные затраты на новые проекты.

Геометрия расчетной областиРазмер расчетной области в вертикальном, по-

перечном и продольном направлениях опреде-

ляется масштабом моделируемой застройкой и

используемыми краевыми условиями.

Численное моделирование

ветрового воздействия на

высотный комплекс в

газодинамическом пакете ANSYS

CFX

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»



36


Размер расчетной области по вертикали

для изолированных зданий должен составлять

минимум 5.. 7H, где Н — высота здания. Ширина

расчетной области должна быть не меньше 10S,

где S — поперечный размер здания. Длина рас-

четной области (вперед и назад по потоку) долж-

на составлять минимум 20L, где L — продольный

размер здания.

Граничные и начальные условияПрофиль средней скорости на входе, как прави-

ло, получают по нормативным данным.

Для выполнения стационарного расчета

необходимо указать средние значения скоро-

стей ветра Vm(z), среднюю величину интенсив-

ности турбулентности I(z) в зависимости от вы-

соты, а также диссипацию ε(z).

В качестве примера, приведем использованные

нами соотношения:

Vm(z) = 19,2⋅(z/30,5)0,2 (1)

I(z) = 0,05⋅z0,3 (2)

Для скоростей на стенках используется ус-

ловие прилипания для сдвиговых напряжений.

На верхней и боковых границах можно исполь-

зовать мягкие открытые граничные условия

(постоянное статическое давление).

Расчет средней и пульсационной составляющих ветровой нагрузкиДля определения расчетных средних составляю-

щих ветровых нагрузок следует построить гра-

фик вычисленных средних нагрузок для различ-

ных направлений ветра. Как показывает опыт,

результаты стационарного расчета достаточно

близки к соответствующим осредненным во вре-

мени величинам.

При обтекании высотных зданий ветровым

потоком часто происходит отрыв пограничного

слоя, образуются интенсивные нестационарные

струйно-вихревых течений. В результате аэро-

динамические нагрузки на поверхности фаса-

дов зависят не только от величины и направле-

ния ветра, но и от времени.

Для оценки пиковых расчетных нагрузок на

конструкцию (P*max и P*min) можно использовать

методику, основанную на стационарных расче-

тах энергии турбулентных пульсаций TKE и с

учетом осредненных коэффициентов обеспе-

ченности θmax и θmin [3].

Для предварительных расчетов можно при-

нять θmin=6 и θmax=3:

θmax =(Pmax — P)/ σр

и

θmin =(P — Pmin)/ σр,

где Pmax, Pmin и P — вычисленные значения мини-

мумов, максимумов и среднего давлений в точ-

ке поверхности, σр — стандарт давлений.

Пульсационная составляющая нагрузок на

конструкцию может быть получена в результате

интегрирования по поверхности пульсационной

составляющей давлений Pпульс .

Результаты расчетного моделированияВ данном разделе представлены основные ре-

зультаты расчета средней составляющей ветро-

вой нагрузки и пиковых (максимальных) значе-

ний ветрового давления. Также отдельно на ри-

сунках показаны зоны с повышенным отрица-

тельным давлением ветра. Показана общая

картина обтекания высотного комплекса. Ре-

зультаты представлены для юго-западного на-

правления.

Ðèñ. 1. Ñõåìà ðàñïîëîæåíèÿ îòäåëüíûõ ýëåìåíòîâ âûñîòíîãî êîìïëåêñà

37


ВыводыПо результатам моделирования было выявле-

но два наиболее неблагоприятных направле-

ния ветра: юго-западное и южное. Для этих на-

правлений получен ярко выраженный нестаци-

онарный характер обтекания высотного комп-

лекса стационарным потоком воздуха. Это в

первую очередь связано с неудовлетворитель-

ной с точки зрения аэродинамики формой зда-

ния (наличие острых и скругленных кромок по

углам зданий).

Кроме того, следует признать неудачную

ориентацию по сторонам света высотного комп-

лекса с учетом розы ветров: высотный комплекс

расположен во втором климатическом районе

(тип местности B) и в среднегодовой розе вет-

ров юго-западное направление составляет 20%.

Также отметим, что для юго-западного и северо-

восточного (в меньшей степени) направлений

можно прогнозировать интенсивные продоль-

ные (в направлении ветрового потока) аэроди-

намические нагрузки.

Таким образом, вторую серию расчетов на

резонансное вихревое возбуждение конструк-

тивных элементов здания следует проводить для

юго-западного и южного направлений ветра.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. ÌÄÑ 20-1.2006. Âðåìåííûå íîðìû ïî íàçíà÷åíèþ

íàãðóçîê è âîçäåéñòâèé, äåéñòâóþùèõ íà ìíîãîôóíêöèîíàëüíûå âûñîòíûå çäàíèÿ è êîìïëåêñû â Ìîñêâå. // Ì. 2006. –840 ñ.

2. ÑÍèÏ 2.01.07 — 85*. Íàãðóçêè è âîçäåéñòâèÿ // Ãîññòðîé Ðîññèè. — Ì.: ÃÓÏ ÖÏÏ, 2001. — 44 ñ.

3. Êóçíåöîâ Ñ.Ã. Âåòðîâûå âîçäåéñòâèÿ íà âûñîòíûå çäàíèÿ ñ ó÷åòîì ãîðîäñêîé çàñòðîéêè. — Àâòîðåôåðàò äèññ. äîêòîðà òåõí. íàóê. // Ìàêååâêà — 2009. — 20 ñ.

Ðèñ. 2. Ãðàôèê èçìåíåíèÿ ïî âûñîòå Z îñðåäíåííîãî ïî êîíòóðó çäàíèé (A, B è C) ñðåäíåãî âåòðîâîãî äàâëåíèé Wm — þãî-çàïàäíîå íàïðàâëåíèå âåòðà

Ðèñ. 3. Ó÷àñòêè ñ ïîâûøåííûì îòðèöàòåëüíûì äàâëåíèåì âåòðà — þãî-çàïàäíîå íàïðàâëåíèå âåòðà

Ðèñ. 4. Ñðåäíèå äàâëåíèÿ îò þãî-çàïàäíîãî íàïðàâëåíèÿ âåòðà

Ðèñ. 5. Âåêòîðà ñêîðîñòåé íà âûñîòå Z = 40 ì — þãî-çàïàäíîå íàïðàâëåíèå âåòðà


38

ANSYS в вузах


Статья подготовлена при использовании льгот-

ной лицензии ANSYS Academic Teaching предо-

ставленной ЗАО «КАФЕДРА Си-Ай-Эс» в авгус-

те 2010 года.

Наукоёмкие технологии стали активно внед-

ряться в учебный процесс вуза. В связи с перехо-

дом вуза на двухуровневую систему образования

и переработкой рабочих программ курсов, пред-

ставилась возможность внедрения программного

комплекса ANSYS в ряд дисциплин: «Физика»,

«Инженерный анализ», «Тепломассообмен. Часть

2», «Энергосбережение в теплоэнергетики и теп-

лотехнологии», «Теория подобия в моделирова-

нии», «Компьютерное моделирование физичес-

ких полей в электрических машинах», «Системы

компьютерной поддержки инженерных решений»,

«САПР изделий в машиностроении».

Студенты выпускного 5-го курса активно

подключились к освоению программного комп-

лекса. Под руководством доцента кафедры

энергетики теплотехнологий В.А. Горбунова сту-

денты Сергей Федосеев в выпускной квалифи-

кационной работе «Разработка математической

модели в ANSYS установки переработки твёр-

дых бытовых отходов» и Татьяна Татаринова в

выпускной квалификационной работе «Разра-

ботка математических моделей в ANSYS

FLUENT камерных кузнечных печей для маши-

ностроительных предприятий» активно исполь-

зуют программный комплекс ANSYS.

Опыт использования

программного комплекса в

Ивановском государственном

энергетическом университете

им. В.И. Ленина

Владимир Горбунов, доцент кафедры «Энергетика теплотехнологий»,

Ивановский государственный энергетический университет

Ðèñ. 1. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòè (à) è äàâëåíèÿ (á) â ñå÷åíèè ñëîÿ ÒÁÎ, ñîñòàâëåííîãî èç ôðàêòàëüíîé ãåîìåòðèè

À Á

39


ANSYS в вузах


В работе С. Федосеева решается вопрос про-

гнозирования процессов фильтрации слоя твёрдых

бытовых отходов (ТБО) в пакете ANSYS FLUENT.

Слой ТБО имеет структуру с неопределённой фор-

мой и размером элементов. Его геометрическое

описание — сложная задача. Предлагается описы-

вать геометрию слоя ТБО элементами фракталь-

ной структуры. В качестве фрактальной структу-

ры использовался фрактал «ковёр Серпинского»

со значением фрактальной (Хаусдорфовой) раз-

мерности — D. D = ln8/ln3 = 1,8928

В качестве газовой среды в модели исполь-

зовался воздух. На границе контакта геометри-

ческой фрактальной модели ТБО и газа скорость

движения принималась равной нулю. Начальная

скорость воздуха на входе варьировалась в пре-

делах от 0,4 м/с до 1,4 м/с при постоянной мере

фрактала. При моделировании использовался

турбулентный режим движения газа и произво-

дилось усреднение давлений в каждом сечении

слоя по уровням. Полученное в вычислительном

комплексе распределение скорости и давления в

сечении слоя приведено на рис.1.

На основании моделирования при сравне-

нии с экспериментальными данными подобрана

фрактальная геометрическая структура слоя

ТБО с различной насыпной плотностью, которая

позволяет описывать и моделировать процесс

фильтрации газа в слое и рассчитывать гидрав-

лическое сопротивление с достаточной точнос-

тью для инженерных расчетов.

В работе Т. Татариновой решаются вопро-

сы прогнозирования точности моделирования в

пакете ANSYS FLUENT при решении задач на-

грева с граничными условиями I и II рода.

При разработке математической модели

очень важен вопрос её верификации. Верифи-

кацию математической модели можно осущест-

влять двумя способами: сравнением с результа-

тами физического эксперимента или сравнени-

ем с аналитическим решением. Первый способ

требует наличия соответствующего оборудова-

ния, а также больших денежных затрат. Иногда

физический эксперимент провести просто не-

возможно. Таким образом, наиболее простым

способом верификации является сравнение по-

лученных результатов с аналитическим решени-

ем (если оно имеет место).

В работе предлагается метод прогноза точ-

ности результатов при решении задач нагрева с

использованием нейросетевых технологий. В ка-

честве программы-нейроимитатора использует-

ся NeuroSolutions. В работе проверка осущест-

вляется по эталонному аналитическому реше-

нию для граничных условий I и II родов, которое

было получено в пакете MathCAD с точностью

до 0,01%.

Эта методика проверялась для пакета

ANSYS FLUENT на простейшем примере нагре-

ва пластины с постоянными теплофизическими

свойствами. При решении задачи в качестве ва-

рьируемых параметров были приняты толщина

пластины и время нагрева. По результатам ре-

шения были построены номограммы и произво-

дилось обучение нейросетей.

Это позволяет облегчить выбор количест-

ва шагов по пространству Δx на стадии построе-

ния сетки и количества шагов по времени Δτ при

задании параметров решателя, которые бы

обеспечивали необходимую точность.

Предложенная методика позволяет разра-

ботчику на стадии постановки задачи для задан-

ной точности температуры поверхностей в конце

нагрева определить размер шага по пространс-

тву и времени.

Использование программного комплекса

ANSYS позволяет применять передовые техно-

логии при моделировании конструкций устано-

вок и режимов их работы при выполнении курсо-

вых и дипломных работ.

Ðèñ. 1. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû ïî òîëùèíå ïëàñòèíû ïðè íàãðåâå âòå÷åíèå 1000 ñ ïðè ÃÓ II ðîäà

Ðèñ. 2. Íîìîãðàììà äëÿ îïðåäåëåíèÿ òî÷íîñòè ðàñ÷åòà íàãðåâà ìåòàëëà ñ ïîñòîÿííûìè òåïëîôèçè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè â òå÷åíèå 1000 ñåêóíä ïðè ÃÓ I ðîäà (ïðè òîëùèíå ïëàñòèíû 0,1 ì


40

ANSYS в вузах


В статье приводятся результаты расчета стацио-

нарных тепловых полей в конструкции ионного

двигателя, выполненного методом компьютер-

ного моделирования с использованием програм-

мно-вычислительного комплекса ANSYS

Mechanical. Результаты теплового расчета пере-

давались в модуль Thermal-stress для расчета

термических напряжений и деформации эле-

ментов конструкции.

ВведениеПрименение ионного двигателя в качестве мар-

шевого для дальних космических полетов явля-

ется перспективным, поскольку последний (за

счет электростатического ускорения ионов) об-

ладает существенно большим удельным им-

пульсом, чем двигатели использующие тепло-

вое ускорение. Следует отметить, что при ис-

пользовании ионного двигателя необходимо

обеспечение большого ресурса его работы (бо-

лее 30000 час.) и наличие достаточно мощной

энергетической установки, в качестве которой

может использоваться ядерная энергетическая

установка.

В настоящее время производится конс-

трукторская разработка высокочастотного ион-

ного двигателя мощностью 75кВт с удельным

импульсом 70000 м/с, одним из этапов которой

было проведение расчетов теплового состояния

элементов конструкции.

Описание объекта моделированияНа рис. 1 представлена трехмерная сборка мо-

дели высокочастотного ионного двигателя, а

на рис. 2 составляющие ее части: разрядная

камера, индуктор, ионно-оптическая система,

изоляторы, ионно- оптическая система (два

перфорированных электрода), экранирующий

кожух.

В качестве рабочего тела используется газ

ксенон, который подается в разрядную камеру,

где образуется плазма с помощью индуктора,

питаемого от высокочастотного генератора.

Ионы из плазмы вытягиваются с помощью эмис-

сионного электрода и в дальнейшем ускоряются

до необходимой скорости ускоряющим электро-

дом.

Описание задачиОсновными особенностями решаемой задачи

являются:

— теплообмен между элементами конструк-

ции осуществляется только излучением и

теплопроводностью, поскольку вся конс-

Расчет теплового состояния

элементов конструкции

проектируемого ионного

двигателя для дальних

космических полетов

Михеев С.Ю., Московский авиационный институт

Ðèñ. 1. Ìîäåëü èîííîãî äâèãàòåëÿ

41


ANSYS в вузах


трукция находится в условиях глубокого

вакуума.

— наличие двух близко расположенных (рас-

стояние 1мм) тонкостенных (толщина 0.4 и

2мм) перфорированных электродов —

эмиссионного и ускоряющего, которые юс-

тируются с большой точностью,

— температурные деформации оптической

системы в процессе работы двигателя не

должны приводить к замыканию электро-

дов и сильной разъюстировке ионной оп-

тики.

Граничные условия теплового расчетаТепловые потоки из плазмы на внутренние

стенки разрядной камеры и внутреннюю стенку

эмиссионного электрода задавались равномер-

но распределенными с плотностями 6.2кВт/м2 и

4.1кВт/м2 соответственно. Дополнительно учи-

тывался тепловой поток плотностью 1.8 кВт/м2

на наружную стенку ускоряющего электрода.

Для учета передачи тепла излучением

были выделены три области A, B и C, которые

показаны на рис. 3. Каждая из областей явля-

лась открытой полостью, радиационный тепло-

обмен, в которой учитывался с помощью коман-

дного блока вида:

sf,Region_A,rdsf,0.9,1

stef,5.67e-8

toffst,273.15

hemiopt,10

tunif,20

n,1,0,0,0

spcnod,1,1

Отвод тепла осуществляется излучением в

окружающую среду со всех внешних поверхнос-

тей конструкции.

Ðèñ. 3. Îáëàñòè ïåðåäà÷è òåïëà èçëó÷åíèåì

Ðèñ. 4. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà

Ðèñ. 2. Ýëåìåíòû èîííîãî äâèãàòåëÿ: 1- ýêðàíèðóþùèé êîæóõ, 2- èíäóêòîð, 3- ðàçðÿäíàÿ êàìåðà, 4- ýìèññèîííûé ýëåêòðîä, 5- èçîëÿòîð, 6- óñêîðÿþùèé ýëåêòðîä, 7- âûõîäíîå êîëüöî


42

ANSYS в вузах


Результаты расчетов.Расчетная сетка, содержащая 294043 узла и

125729 элементов, приведена на рис.4.

С целью оптимизации конструкции было

проведено 10 вариантов расчетов температур-

ных полей для различной перфорации внешнего

кожуха и элементов ионной оптики, а также с ис-

пользованием различных материалов элемен-

тов конструкции.

Следует отметить, что основным фактором

определяющим время расчета являлось количест-

во отверстий в ионной оптике. Так для 453 отверс-

тий (гексагональная упаковка) в эмиссионном и

ускоряющем электродах, время расчета на ком-

пьютере с двухъядерным процессором 3ГГц и опе-

ративной памятью 4 Гб составило порядка 12 ч.

Наиболее важным результатом расчета

для нас было получение поля температур эле-

ментов ионной оптики для проведения даль-

нейшего расчета температурных напряжений и

деформаций. Поэтому отдельно было изучено

влияние степени прозрачности ионной оптики

p (отношение площади отверстий к полной

площади электрода) на расчетное поле темпе-

ратур.

Результаты расчетов нормированной тем-

пературы в направлении от края к центру для

оптики диаметром 100 мм при различной про-

зрачности приведены на рис. 5. Видно, что изме-

нение прозрачности оптики в широких пределах

от p=0 (отверстия отсутствуют) до p=0,724 при-

водит к изменению расчетного поля температур

менее чем на 5%. Поэтому для ускорения расче-

тов, в первом приближении, можно не учитывать

перфорацию оптической системы.

Типичный вид полного расчетного распре-

деления температур в конструкции двигателя

представлен на рис. 6.

После проведения теплового расчета все-

го двигателя поле температур ионной оптики

транспортировалось в модуль Static Structural,

где производился расчет возникающих напря-

жений и деформаций.

Типичный вид тепловых деформаций воз-

никающих в оптике приведен на рис.7.

ВыводыПроведенные расчеты позволили:

— провести моделирование параметров теп-

лообмена для конкретной модели ионного

двигателя,

— на основании проведенных расчетов про-

вести корректировку конструкции,

— используемых материалов,

— геометрии оптической системы,

— оптимизировать габариты и конструктив-

ные особенности внешних элементов дви-

гателя.

Ðèñ. 5. Âëèÿíèå ïðîçðà÷íîñòè èîííîé îïòèêè íà òåìïåðàòóðíîå ïîëå

Ðèñ. 6. Ðàñ÷åòíîå ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð â äâèãàòåëå Ðèñ. 7. Äåôîðìàöèè ýëåìåíòîâ èîííîé îïòèêè

43


ANSYS в вузах


Часто перед разработчиками смесительных

теплообменников, камер сгорания, карбюрато-

ров, ректификаторов и многих других систем

встает вопрос о том, как рассчитать и обеспе-

чить оптимальное смешение компонентов при

неизменности граничных условий, заданных

другими элементами системы. При этом разра-

ботчик может варьировать лишь изменение гео-

метрии конструкции смесителя. В этом вопросе

программный пакет ANSYS CFX помогает зна-

чительно облегчить получение правильного ре-

шения.

Точное описание смешения компонентов

газовой смеси позволяет значительно упростить

процесс конструирования, повысить надежность

проектируемых систем, реализовать технологи-

ческие упрощения, оптимизировать массогаба-

ритные характеристики, и как итог — получить

экономию капитальных вложений при проекти-

ровании, изготовлении и эксплуатации. Напри-

мер, в практике разработки и конструирования

камер сгорания ЖРД часто наблюдается эф-

фект образования застойных зон, не поджигае-

мых факелом запального устройства. Это про-

исходит из-за одномерной направленности фа-

кела и недостаточного перемешивания компо-

нентов в области воспламенения. Значительную

роль в этом процессе играют обратные токи в

застойные области огневого днища.

Рассмотрим пример, в котором происходит

смешение двух газообразных компонентов в мо-

дели реального запального устройства. Запаль-

ное устройство представляет собой трубу внут-

ренним диаметром 10 мм с одним глухим торцом

и двумя патрубками подводов компонентов диа-

метром 7 мм для газообразного кислорода и

диаметром 2 мм для водорода. Конструкция и

размеры такого запального устройства делают

практически невозможным не только проведе-

ние каких либо измерений для отработки конс-

трукции, но и доработку опытных образцов. Об-

щий вид запального устройства с патрубками

подводов и направлением внутреннего течения

показан на рис. 1.

Таким образом, для проектирования и до-

работки устройства перед разработчиком оста-

ется только один путь — компьютерное модели-

рование. Задачей исследования является полу-

чение полей массовых долей водорода и кисло-

рода в смеси и анализ влияния расположения

канала подвода водорода вдоль оси течения на

смешивание.

Для рассмотрения области течения требу-

ются допущения, которые позволят с необходи-

мой точностью оценить локальные изменения

параметров модели для оптимизации использо-

вания аппаратных ресурсов вычислительной

техники при построении сеточной модели и про-

ведения расчетов. В связи с вышесказанным,

мы упрощаем модель, представленную на рис. 1,

пренебрегая патрубками подводов, и останав-

ливаемся на рассмотрении лишь камеры сме-

шения.

Используя ANSYS ICEM CFD, строится пред-

варительная тетраэдральная сеточная модель,

приведенная на рис. 2, которая состоит из 29 ты-

сяч узлов и позволяет получить грубое решение.

Такое решение может служить начальным

условием для получения более точного резуль-

тата. Кроме того, данное решение позволяет оп-

ределить возможность упрощения имеющейся

модели. В нашем случае градиент давления ста-

Расчет перемешивания

бинарной смеси

в запальном устройстве

Носач С.М., Молчанов А.М., Московский авиационный институт

Ðèñ. 1. Òðåõìåðíàÿ ìîäåëü çàïàëüíîãî óñòðîéñòâà


44

ANSYS в вузах


новится одномерным на расстоянии 50 мм от

торца при общей длине запальника в 180 мм

(рис. 3), что позволяет нам укоротить модель бо-

лее чем в 3 раза с условием наложения нового

граничного условия выхода, соответствующего

величине статического давления на уровне ус-

тановления одномерного градиента давления.

Нужно быть осторожным при подобных уп-

рощениях, так как грубое решение отражает

лишь приближенное установление градиента

давления, а значит, его использование вносит оп-

ределенную погрешность. Экспертно оценив дан-

ный риск как минимальный, увеличиваем область

одномерного градиента давления до 60 мм.

После проведенных упрощений геометри-

ческой области и расчета величины размера

элемента, согласно формулам y+ строим новую

гексаэдральную сеточную модель с 420 тысяча-

ми узлов (рис. 4, 5).

Поперечный вдув газа — это сложный га-

зодинамический процесс, требующий верифи-

кации, которая была проведена на основании

экспериментальных данных, опубликованных в

журнале Fluid Mechanics [1]. Сравнение данных

численного и реального экспериментов дали

точность с погрешностью в 5-10% (рис. 5). Вери-

фикация была необходима в первую очередь

для определения модели турбулентности, позво-

ляющей получить необходимую для решения за-

дачи точность. В верификационном расчете хо-

рошую сходимость и высокую точность показала

модель k-ε, которая хорошо описывает турбу-

лентные течения вдали от поверхностей, на ко-

торых образуются так называемые зоны лами-

нарного подслоя.

В итоге при расчете смесителя мы получи-

ли достаточные данные о стехиометрических

соотношениях в тракте запального устройства

на разных геометрических моделях при сдвиге

канала подвода водорода по оси течения в тру-

бе (рис. 6 и 7).

Наличие водорода на противоположной

стенке во втором варианте геометрии не являет-

ся ошибкой или недостаточной сходимостью, а

говорит о трехмерности течения, что иллюстри-

рует рис. 8.

Из рис. 8 видно, что «артефакт», появив-

шийся на рис. 7 говорит о растекании водоро-

да по противоположной входу водорода стенке.

Это может быть использовано в случае с ла-

зерным воспламенением, фокусирующимся на

стенку.

Ðèñ. 2. Ïðåäâàðèòåëüíàÿ ñåòî÷íàÿ ìîäåëü, íàëîæåííàÿ íà ãåîìåòðèþ òå÷åíèÿ

Ðèñ. 3. Óñòàíîâëåíèå îäíîìåðíîãî ãðàäèåíòà äàâëåíèÿ

Ðèñ. 4. Óòî÷íåííàÿ ñåòî÷íàÿ ìîäåëü. Âèä 1

Ðèñ. 5. Óòî÷íåííàÿ ñåòî÷íàÿ ìîäåëü. Âèä 2

45


ANSYS в вузах


Трехмерные и двухмерные изображения

бывают полезны с точки зрения наглядности и

оценки смешения, но их крайне сложно пред-

ставить в аналитической форме. Применяя экс-

порт данных с использованием ANSYS CFX-

Post, полученные данные можно представить в

виде таблиц параметров, зависящих от коорди-

нат исходной области, либо в виде двумерных

графиков — рис. 9 и 10, где ось абсцисс — рас-

стояние от граничного условия подачи кислоро-

да до противолежащей стенки по оси патрубка,

что соответствует размещению зажигающего

устройства.

Перемешивание компонентов улучшается

во втором варианте, что заметно при сравнении

полей массовых долей на рисунках 6 и 7. Если в

первом варианте вдоль течения встречаются

высокие концентрации компонентов, то во вто-

ром случае наличие компонентов размывается

быстрее. Аналитически это отражается на гра-

фиках, построенных по линии тока водорода

(рис. 10 и 11). Аналитически это отражается на

графиках, построенных по линии тока водорода

(рис. 10 и 11). Массовое отношение подаваемых

компонентов составляет 41.5, что составляет

примерно 97.65% кислорода + 2.35% водорода.

На графиках видно, что уже на расстоянии

10 мм происходит полное распределение водо-

рода по массе кислорода во втором варианте, в

то время как в первом варианте это размытие

устанавливается на уровне 25-30 мм от входа

водорода и медленно стремится к минимуму.

Это происходит вследствие сильных турбулент-

ных завихрений, происходящих у глухого торца

конструкции.

Ðèñ. 6. Ïîëå ìàññîâîé äîëè êèñëîðîäà â òðàêòå ñìåñèòåëÿ. Âàðèàíò ãåîìåòðèè 1

Ðèñ. 7. Ïîëå ìàññîâîé äîëè êèñëîðîäà â òðàêòå ñìåñèòåëÿ. Âàðèàíò ãåîìåòðèè 2

Ðèñ. 8. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòè âäîëü ëèíèé òîêà. Èçîïîâåðõíîñòü, îáðàçîâàííàÿ ñêîðîñòüþ 100 ì/ñ.

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå ìàññîâîé äîëè âîäîðîäà âäîëü îñè ïîäà÷è êèñëîðîäà. Âàðèàíò 1

Ðèñ. 10. Ðàñïðåäåëåíèå ìàññîâîé äîëè âîäîðîäà âäîëü îñè ïîäà÷è êèñëîðîäà. Âàðèàíò 2


46

ANSYS в вузах


Подводя итоги необходимо заметить, что

численное моделирование, проведенное с ис-

пользованием программного комплекса ANSYS

CFX, позволило рассчитать оптимальную конс-

трукцию смесительного элемента с меньшими

временными и финансовыми затратами. Удалось

избежать разработки конструкторской и техно-

логической документации для каждого варианта

изделия, их изготовления в единичных экземпля-

рах, проведения испытаний с использованием

крайне точной и миниатюрной измерительной

аппаратуры, требующей настройки и юстировки

при проведении каждого эксперимента.

Ëèòåðàòóðà1 Chassaing P., George J., Claria A., Sananes F.

Physical characteristics of subsonic jets in a cross-stream // J. Fluid Mech. 1974, v. 62, Pt.1. p. 41-64.

Ðèñ. 11. Èçìåíåíèå ìàññîâîé äîëè ïî ëèíèè òîêà â çàâèñèìîñòè îò êîîðäèíàòû. Âàðèàíò 1

Ðèñ. 12. Èçìåíåíèå ìàññîâîé äîëè ïî ëèíèè òîêà â çàâèñèìîñòè îò êîîðäèíàòû. Âàðèàíò 2

Газовые турбины относятся к числу самых на-

пряженных узлов конструкции ГТД, ограничива-

ющих в большинстве случаев надежность дви-

гателя и его ресурс. Это связано с большими

значениями температуры и давления газа перед

турбиной и окружной скорости на среднем диа-

метре рабочих лопаток. Рабочие и сопловые ло-

патки турбины рабо тают в непосредственном

соприкосновении с высокотемпературным га-

зом, при этом его температура в перспективных

двигателях достигает уровня 1900…2150К на

входе в турбину. Наиболее распространённой

системой охлаждения современных турбин яв-

ляется схема открытого (с выпуском охладителя

в проточную часть турби ны) воздушного охлаж-

дения. При пленочном охлаждении теплозащит-

ный пристеночный слой образуется в результа-

те взаимодействия системы струй охладителя,

вытекающих через отверстия, со сносящим га-

зовым потоком. Струи охладителя проникают в

основной поток газа, постепенно размываются,

после чего необходимо дополнительное коли-

чество охлаждающего воздуха, подаваемого

через последующий ряд отверстий. В настоя-

щее время, с появлением новых производствен-

ных технологий, появилась возможности созда-

ния каналов пленочного охлаждения разнооб-

разных форм, в частности anti-vortex и fan-

shapes. Таким образом, для обеспечения равно-

мерного охлаждения лопатки актуально опре-

Расчёт системы плёночного

охлаждения в ANSYS FLUENT

Матушкин А. А., Московский авиационный институт

47


ANSYS в вузах


Ðèñ. 2. Ðèñ. 3.Ðèñ. 1.

деление геометрических параметров системы

охлаждения (форма, углы наклона, диаметр и

т.п.) и взаимного расположения отверстий по ее

поверхности.

Прежде чем приступить к расчету пленоч-

ного охлаждения криволинейных плоскостей

(непосредственно на лопатке турбины), необхо-

димо отладить методику решения на простой

геометрии, в частности на пластине с одиноч-

ным отверстием. Кроме того, расчет пластины, в

отличие от модели лопатки, позволит затратить

меньше вычислительных ресурсов, как на со-

здание сетки, так и на расчет, что позволяет чис-

ленно исследовать множество различных гра-

ничных условий.

Для проведения численных расчетов и

сравнения с экспериментом был выбран отчет

NASA-CR-72612. В нём исследовалось истече-

ние охлаждающего воздуха параллельно потоку

(35°) и перпендикулярно ему (15°, 35°). Экспери-

мент проводился при температуре основного по-

тока 295К и температуре охлаждающего возду-

ха 350К (охлаждающий воздух в данном случае

был горячее основного потока). Помимо одиноч-

ных отверстий рассматривались ряды из не-

скольких отверстий при разных отношениях ко-

эффициента вдува, от 0,1 до 2.

В нашей работе был выполнен ряд числен-

ных экспериментов по моделированию газовой

динамики потоков и сравнение результатов с

данными эксперимента. Условия расчета зада-

вались из условий одного из натурных экспери-

ментов: одиночное отверстие 35 градусов, ско-

рость вдува основного потока 61 м/сек, вторич-

ного потока 30,5м/сек, направление вдува спут-

но потоку, нулевое избыточное давление, на-

чальная турбулентность на входе в канал основ-

ного потока 0.5%, температуры основного и

вторичного потоков 295К и 350К соответствен-

но. Основными варьируемыми параметрами яв-

лялись размерность сетки и модели турбулент-

ности. Расчёт проводился в программе FLUENT.

В расчетах использовалось три сетки: гру-

бая тетрагональная сетка с числом элементов

865180, полиэдральная с числом элементов

171509, а также качественная гексагональная

сетка с числом элементов 1107942. Внешний

вид сеток представлен на рис.1, рис.2 и рис.3 со-

ответственно.

Количество элементов в сетках было вы-

брано примерно одинаковым, но тетрагональная

сетка построена без мест сгущения, в то время

как гексагональная сгущалась возле стенки и

около инжекционного отверстия. Полиэдральная

сетка сгенерирована в автоматическом режиме

на основе тетрагональной.

При расчете проводилось сравнение 3 раз-

личных моделей k-ε турбулентности: k-ε Standart,

k-ε RNG и k-ε Relizable, на трех различных сетках

(на полиэдральной RNG и Relizable) .

Зависимость коэффициента пленочного

охлаждения от расстояния до отверстия вдува

представлена на рисунке 4. Следует отметить,

что все модели показали характерное для струи

формообразование, т.е. струя приобрела «по-

чечную» форму на некотором расстоянии от

места вдува.

Realizable, Simple, RNG — соответственно

применяемые модели турбулентности, рассчи-

танные на гексагональной сетке, Simple Tet —

применяемая модель турбулентности (Simple) на

тетраэдральной сетке, Simple Poli — применяе-

мая модель турбулентности (Simple) на полиэд-

ральной сетке, эксперимент — данные получен-

Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü êîýôôèöèåíòà ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ îò ðàññòîÿíèÿ äî îòâåðñòèÿ âäóâà


48

ANSYS в вузах


ные при экспериментальных исследованиях из

отчета NASA-CR-72612.

После проведения данной верификацион-

ной работы были рассчитаны каналы плёночного

охлаждения ещё двух различных конструктивных

схем: канал типа fan-shapes (см. рис. 5) и канал

типа anti-vortex (см. рис. 6), рассчитанных так же

в программе ANSYS FLUENT. Следует отметить,

что в данном случае модель турбулентности ис-

пользовалась SST. Верификация проводилась по

сравнению данных полученных в NASA-CR-72612

и результатами расчёта трубчатого канала пред-

ставленными выше. Оставшиеся два расчёта

проводились с теми же граничными условиями.

Проведённый расчет показал, что хотя пол-

ностью устранить вихрь и не удаётся, но его вли-

яние заметно ослабевает в обоих случаях. Про-

веденное численное моделирование показало,

что каналы измененной формы показывают эф-

фективность охлаждения несколько большую,

чем у канала цилиндрической формы. Кроме

того, варьирование дополнительных геометри-

ческих параметров каналов типа anti-vortex и

fan-shapes позволяет регулировать интенсив-

ность вихря, что, в свою очередь, позволяет по-

добрать оптимальную форму каналов при раз-

личных расходах через канал. Особенно это

важно для лопаток рабочих колес, где расход че-

рез отверстия меняется в зависимости от их

расположения по высоте профиля, вследствие

работы центробежных сил.

Полученные данные представлены на

рис. 7, рис. 8, рис. 9. Таким образом, используя

программные продукты ANSYS, в частности

ANSYS ICEM SFD и ANSYS FLUENT появилась

возможность сравнивать параметры системы

плёночного охлаждения на плоской пластине

без применения дорогостоящего модельного эк-

сперимента, а также выполнения оптимизации

геометрических параметров каналов системы

охлаждения до этапа их практической реализа-

ции. Кроме того, при сравнении расчётных дан-

ных получена хорошая корреляция с данными

эксперимента, что также показывает высокую

достоверность метода и позволяет расширить

его применение, в частности, на расчёт плёноч-

ной системы охлаждения на криволинейной по-

верхности и, в дальнейшем, в составе системы

охлаждения лопатки.

Ðèñ. 5. Êàíàë òèïà Fan-shapes

Ðèñ. 6. Êàíàë òèïà Anti-vortex

Ðèñ. 7. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð äëÿ öèëèíäðè÷åñêîãî êàíàëà

Ðèñ. 8. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð äëÿ êàíàëà òèïà Anti-vortex

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð äëÿ êàíàëà òèïà Fan-shapes

49


ANSYS в вузах


Программный комплекс ANSYS Academic

Teaching используется при подготовке сту-

дентов различных специальностей Нацио-

нального университета кораблестроения

имени адмирала Макарова (г. Николаев, Ук-

раина): «Турбины», «Теплоэнергетика», «Тех-

нология и оборудование сварочного произ-

водства».

Общее представление о современных

программных комплексах, основанных на

методе конечных элементов и позволяющих

решать различные технические задачи прак-

тически любой сложности, студенты получа-

ют на старших курсах. При этом наиболее

подробно они изучают программный комп-

лекс ANSYS, для чего учебным планом пре-

дусмотрены не только лекции, но и практи-

ческие занятия.

Студенты магистратуры выполняют кур-

совые проекты, материалы которых исполь-

зуются затем при выполнении дипломной

работы.

Опыт применения ANSYS

в НУК им. Адмирала

Макарова при выполнении

курсовых и дипломных работ

Применение программного комплекса ANSYS для

решения задач комплексного проектировочного

расчета камер сгорания ГТД

Сербин С.И., Гончарова Н.А.

Создание камер сгорания ГТД тесно связано с

возможностью надежного прогнозирования

уровней вредных выбросов, а также других ха-

рактеристик рабочего процесса на стадии про-

ектирования. Такую возможность дает трехмер-

ный численный эксперимент, проводимый при

помощи компьютерных систем вычислительной

гидродинамики на базе расчетного комплекса

ANSYS.

На кафедре турбин НУК им. адм. Макарова

выполняются магистерские и научные работы, в

которых показаны возможности использования

численного эксперимента для исследования и

прогнозирования характеристик камер сгорания

ГТД.

Используемая для численного эксперимен-

та универсальная математическая модель хими-

чески реагирующих потоков в низкоэмиссион-

ных камерах сгорания ГТД, которые работают

на газообразном топливе, позволяет корректно

прогнозировать гидродинамические и химичес-

кие процессы в топливосжигающих устройс-

твах.

В качестве примера использования расчет-

ного комплекса ANSYS проведены исследова-

ния возможностей модернизации камеры сгора-

ния с частичным предварительным перемеши-

ванием топлива и воздуха для газотурбинного

двигателя стационарного типа.

В качестве объекта исследования выбрана

камера сгорания газотурбинного двигателя

мощностью 25 МВт производства ГП НПКГ

«Зоря-Машпроект» (Николаев) (рис. 1, а), в ко-

торой реализован принцип горения бедной час-

тично перемешанной газо-воздушной смеси.

Математическая модель учитывает осо-

бенности организации рабочего процесса в ка-

мерах сгорания, в которых организуется гомо-

генно-диффузионное горение топливовоздуш-

ных смесей, обусловленное как физическими

процессами смесеобразования, так и кинетикой

химических реакций.

Модель химически реагирующих турбулен-

тных потоков базируется на системе дифферен-

циальных уравнений неразрывности (1), сохра-

нения количества движения (2), сохранения


50

ANSYS в вузах


энергии (3), переноса химических компонентов

смеси (4) и NO (5):

∂∂

+∇( ) =ρρυ

tSm

r; (1)

∂∂( ) +∇( ) =∇ +∇⋅ + +

tp g Fρυ ρυυ τ ρ

r r r r r( ) ; (2)

∂∂

+∇⋅ + = −∇⋅ +t

E E p J Sq h( ) ( ( ))ρ υ ρr r

; (3)

∂∂( ) +∇( ) = −∇⋅ + +

tY Y J R Si i i i iρ ρυ

r r; (4)

∂∂( ) +∇( ) = −∇⋅ ∇ +

tY Y D Y SNO NO NO NOρ ρυ ρ

r( ) , (5)

где ρ — массовая плотность; rυ — вектор локаль-

ной скорости; Sm — источник, определяющий

массу вносимую в поток, p — статическое дав-

ление; ρrg — гравитационная сила;

rrF — внешние

силы; τ — тензор напряжений; E — внутренняя

энергия; Yi, YNO, — массовая концентрация хими-

ческого компонента i и NO; rJq — плотность теп-

лового потока смеси; rJj — плотность диффузно-

го теплового потока j-го компонента; Sh — источ-

ник описывающий тепловыделение в результате

химических реакций; Si — уровень дополнитель-

ного образования i-го компонента из дисперсной

фазы или других источников; rJi — массовая

диффузия i-го компонента; Ri — уровень образо-

вания i-го компонента в результате химической

реакции; D — коэффициент диффузии; SNO —

источник NO в зависимости от механизма обра-

зования.

Для стационарных задач прогнозирования

характеристик камер сгорание использована

RNG разновидности стандартной k −ε-модели

турбулентности, которая является полуэмпири-

ческой и представляет собой совокупность диф-

ференциальных уравнений переноса кинетичес-

кой энергии турбулентности k (6) и удельной

скорости диссипации кинетической энергии тур-

булентности ε (7).

∂∂

+∂∂

=∂∂

( ) ∂∂

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥+

+ + − − +

tk

xku

x

k

x

G G Y

ii

jk eff

j

k b M

( ) ( )ρ ρ α μ

ρε SSk;

(6)

∂∂

+∂∂

=∂∂

( ) ∂∂

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥+

+ +

t xu

x x

Ck

G C

ii

jeff

j

k

( ) ( )

(

ρε ρε α με

ε

ε

ε ε1 3 GG Ck

R Sb) ;− − +2

2

ε ε ερε

(7)

Для числового решения системы диффе-

ренциальных уравнений, которая описывает фи-

Ðèñ. 1. Áàçîâûé (à) è ìîäåðíèçèðîâàííûé (á) âàðèàíòû æàðîâîé òðóáû ãàçîòóðáèííîé êàìåðû ñãîðàíèÿ:1 — îòâåðñòèÿ âòîðè÷íîãî âîçäóõà; 2 — ãèëüçû íà îòâåðñòèÿõ âòîðè÷íîãî âîçäóõà; 3 — êîíâåêòèâíàÿ ñèñòåìà îõëàæäåíèÿ æàðîâîé òðóáû; 4 — ìåæëîïàòî÷íûå êàíàëû ïåðèôåðèéíîãî çàâèõðèòåëÿ; 5 — âûõîäíîé êàíàë ïåðèôåðèéíîãî çàâèõðèòåëÿ; 6 — âûõîäíîé êàíàë âíóòðåííåãî çàâèõðèòåëÿ; 7 — äîïîëíèòåëüíûé çàâèõðèòåëü

51


ANSYS в вузах


зико-химические процессы в низкоэмиссионных

камерах сгорания ГТД, использован метод конт-

рольного объема, реализованный в програм-

мных комплексах ANSYS.

Из результатов теоретических и экспери-

ментальных исследований известно, что для ре-

жимов работы двигателя близких к номинально-

му характерно неблагоприятное распределение

температур в выходном сечении камеры (макси-

мальная неравномерность около 22 %), значе-

ния выбросов NOx составляют 36 и 20 ррm на

режимах 0,8Ne и 1,1 Ne. Кроме того, отсутствие

эффективного охлаждения выходного смесите-

ля жаровой трубы и высокий уровень темпера-

тур в районе стенки в условиях длительной экс-

плуатации могут привести к прогару жаровых

труб камеры сгорания.

Авторами проведен анализ причин этих яв-

лений при помощи трехмерного численного мо-

делирования рабочего процесса в камере сгора-

ния с использованием вычислительного комп-

лекса ANSYS FLUENT и модернизированных

кинетических механизмов горения газообразно-

го топлива с учетом образования токсичных

компонентов.

Результаты численного моделирования ис-

ходного варианта конструкции показали, что:

• в зону смешения камеры сгорания подает-

ся недостаточное количество вторичного

воздуха. Это приводит к тому, что струи

вторичного воздуха не осуществляют эф-

фективного и равномерного разбавления

продуктов сгорания и не достаточно глубо-

ко проникают в радиальном направлении в

горячее ядро потока;

• коэффициент избытка воздуха для внут-

реннего завихрителя жаровой трубы со-

ставляет 1,39. Это приводит к повышению

максимальной температуры газа в камере

сгорания до 2340 К и создает благоприят-

ные условия для образования термических

оксидов азота и формирования горячего

ядра потока в жаровой трубе;

• коэффициент избытка воздуха для пери-

ферийного завихрителя составляет 2,3.

Такое значение коэффициента в комбина-

ции с заградительной системой охлажде-

ния может негативно сказаться на выбро-

сах оксида углерода и стабильности рабо-

ты камеры сгорания и привести к возник-

новению режимов пульсационного горе-

ния, что наблюдалось в эксплуатационных

условиях;

• не рационально спроектирована система

охлаждения камеры, что приводит к увели-

чению температуры стенки смесителя жа-

ровой трубы.

В результате проведенного анализа ре-

зультатов математического моделирования

предложены следующие направления улучше-

ния характеристик низкоэмиссионной камеры

сгорания:

• снижение коэффициента избытка воздуха

для периферийного завихрителя жаровой

трубы до 2,1 с одновременным увеличени-

ем коэффициента избытка воздуха для

внутреннего завихрителя до значений 1,6-

1,7. Это позволит снизить максимальную

температуру рабочего тела в камере сго-

рания, повысить устойчивость работы ка-

меры и снизить выбросы оксидов азота;

• рациональное проектирование системы

охлаждения стенок жаровой трубы с целью

снижения общего расхода охлаждающего

воздуха до 10 %;

• увеличение расхода вторичного воздуха и

обеспечение его рационального подвода в

зону смешения;

• установка дополнительного завихрителя

для стабилизации процессов горения в жа-

ровой трубе на всех режимах.

Для реализации направлений улучшения

характеристик камеры сгорания предложены

следующие изменения в конструкции серийной

жаровой трубы (см. рис. 10, б). Отметим, что

конструктивные изменения на этом рисунке по-

казаны синим цветом.

• Площадь отверстий вторичного воздуха 1

увеличена. Это позволило увеличить отно-

сительный расход вторичного воздуха с

15,7 до 19,4 %.

• На первом ряду отверстий вторичного воз-

духа установлены специальные гильзы 2.

Целью их установки является обеспечение

необходимой глубины проникновения струй

вторичного воздуха в зону смешения в ра-

диальном направлении.

• Заградительная система охлаждения се-

рийной жаровой трубы заменена на кон-

вективную 3, что позволило сократить от-

носительный расход воздуха на охлажде-

ние жаровой трубы с 11,4 до 10,2 %. Пред-

ложенная конвективная система охлажде-

ния представляет собой кольцевой канал

толщиной 5 мм, в который через 825 отвер-

стий диаметром 0,8 мм подается воздух из

межтрубного пространства. Отверстия

расположены равномерно в шахматном по-

рядке.

• В качестве материала стенки жаровой тру-

бы выбран сплав ВЖ159 с рабочей темпе-

ратурой 1523 К. С внутренней стороны жа-

ровой трубы стенка канала покрыта термо-

барьерным покрытием толщиной 500 мкм.


52

ANSYS в вузах


Покрытие представляет собой диоксид

циркония ZrO2 стабилизированный пяти-

окисью иттрия Y2O5. Из результатов расче-

тов известно, что максимальная темпера-

тура стенки жаровой трубы с керамичес-

ким термобарьерным покрытием ниже ра-

бочей температуры сплава, что доказывает

работоспособность данной системы охлаж-

дения.

• Cброс воздуха из кольцевого канала кон-

вективной системы охлаждения в жаровую

трубу осуществляется через торцевую

щель за первым рядом отверстий вторич-

ного воздуха и щели вокруг гильз на отвер-

стиях вторичного воздуха, осуществляя

тем самым их охлаждение.

• Площадь проходного сечения межлопа-

точного канала периферийного завихри-

теля 4 увеличена за счет роста высоты

лопаток и их поворота на 1,5°. Аналогич-

ным образом увеличена площадь выход-

ного сечения канала 5 периферийного за-

вихрителя. Также увеличена на 7 % про-

ходная площадь канала внутреннего за-

вихрителя 6. Рост проходных сечений не-

обходим для обеспечения рекомендуемых

коэффициентов избытка воздуха для пе-

риферийного и внутреннего завихрите-

лей, которые равняются 2,11 и 1,7 соот-

ветственно.

• В центральный канал внутреннего завих-

рителя вставлен дополнительный завихри-

тель 7 с целью дополнительной стабилиза-

ции процессов в зоне горения.

• Общий расход газообразного топлива со-

хранен, но соотношение расходов топлива

через внутренний и периферийный завих-

рители изменено таким образом, чтобы до-

стигнуть рекомендуемых коэффициентов

избытка воздуха.

Проведенные трехмерные расчеты рабоче-

го процесса в модернизированной камере сго-

рания ГТД позволили получить следующие ре-

зультаты, свидетельствующие о значительном

улучшении температурного режима и экологи-

ческих характеристик камеры:

1. Максимальные температуры продуктов

сгорания (рис. 2, а, б) в камере снижаются на

190 градусов (с 2340 до 2150 К) и, как следс-

твие, эмиссия оксидов азота по расчетным дан-

ным уменьшается с 16 до 1 ppm при сохранении

выбросов оксида углерода на прежнем уровне

(около 10 ppm). Для данного режима работы ка-

меры сгорания замеренные выбросы оксидов

азота составляли 20 ppm. Соответствие расчет-

ных и экспериментальных данных для базового

варианта жаровой трубы позволяет утверждать,

что и в условиях эксплуатации уровни вредных

выбросов существенно сократятся. При прове-

дении вычислений сделаны следующие допу-

щения: расчеты проведены для одной жаровой

трубы, не учтены технологические отклонения

при изготовлении, утечки рабочего тела через

неплотности конструкции и неравномерность

раздачи топлива по жаровым трубам. В виду

вышеизложенного на двигателе можно прогно-

зировать снижение уровня выбросов оксида

азота в 1,5-2 раза с сохранением величины вы-

бросов СО.

2. Суммарный расход воздуха на охлажде-

ние жаровой трубы за счет применения предло-

женной конвективной системы охлаждения сни-

жается. В результате увеличения расхода вто-

ричного воздуха и глубины его проникновения в

жаровую трубу при использовании специальных

гильз наряду с понижением максимальной тем-

пературы продуктов сгорания уменьшается и

окружная неравномерность температурного поля

в выходном сечении — с 19 до 8,6 % (рис. 3, а, б;

рис. 4, а, б).

Ðèñ. 2. Òåìïåðàòóðíîå ïîëå â êàìåðå ñãîðàíèÿ ÃÒÄ:à — èñõîäíûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè; á — óñîâåðøåíñòâîâàííûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè

53


ANSYS в вузах


3. Границы устойчивой работы камеры сго-

рания в условиях обедненной топливовоздушной

смеси расширяются за счет стабилизации горе-

ния при помощи дополнительного завихрителя.

4. Температурное поле в районе стенок вы-

ходного смесителя жаровой трубы более благо-

приятно за счет разделения отверстий подвода

вторичного воздуха на два ряда и сброса возду-

ха из кольцевого канала конвективной системы

охлаждения (рис. 5, а, б).

5. Потери полного давления в модернизи-

рованной камере сгорания несколько уменьша-

ются и составляют 5,72 % (в исходном варианте

6,11 %).

Ðèñ. 3. Òåìïåðàòóðíîå ïîëå â âûõîäíîì ñå÷åíèè êàìåðû ñãîðàíèÿ:à — èñõîäíûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè; á — óñîâåðøåíñòâîâàííûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè

Ðèñ. 4. Íåðàâíîìåðíîñòü òåìïåðàòóðíîãî ïîëÿ â âûõîäíîì ñå÷åíèè:à — ðàäèàëüíàÿ (îñðåäíåííàÿ); á — îêðóæíàÿ (ìàêñèìàëüíàÿ); —— óñîâåðøåíñòâîâàííûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè; ----- èñõîäíûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè

Ðèñ. 5. Òåìïåðàòóðíîå ïîëå âîçëå âíóòðåííåé ñòåíêè âûõîäíîãî ñìåñèòåëÿ:à — èñõîäíûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè; á — óñîâåðøåíñòâîâàííûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè


54

ANSYS в вузах


Попадание аэрозольных сред из энергетических

установок в окружающую среду вызывает за-

грязнение атмосферы и потерю дорогостоящих

материалов. Поэтому их улавливание и возвра-

щение в технологический процесс позволяет ре-

шать как экологические так и ресурсосберегаю-

щие проблемы. Для этого целесообразно созда-

вать высокоэффективное газоочистное обору-

дование, использующее различные механизмы

очистки. Разработка моделей и методов иссле-

дований, позволяющих производить расчеты

гидродинамической обстановки и визуализацию

потока в элементах газоочистных устройств со-

здает основу для повышения их эффективности

сепарации двухфазных сред.

Газодинамика элементов очистителей с

градиентами скоростей в продольном и попе-

речном направлениях (uг = 1…15 м/с), описыва-

ются дифференциальными уравнениями турбу-

лентного течения газа, которые решаются ко-

нечно-разностными методами. Для практичес-

ких приложений наиболее эффективными счи-

тают методы, основанные на усреднении систе-

мы уравнений в частных производных, описыва-

ющих универсальные законы сохранения массы,

энергии, импульса в турбулентной системе. Сов-

ременные пакеты прикладных программ позво-

ляют численным методом производить решение

сложных практических задач газодинамики, на

основе нескольких базовых моделей турбулент-

ности.

Для решения задач газодинамики в эле-

ментах сепарационного оборудования перспек-

тивным является применение верифицирован-

ной RSM модели (Reynolds Stress Model). По ре-

зультатам исследования установлено, что рас-

хождение экспериментальных и расчетных дан-

ных, для различных каналов истечения, при ис-

пользовании модели k-epsilon, k-omega — дости-

гает 10…17%. При моделировании стационар-

ного течения моделью RSM, расхождение со-

ставляет — 3…7%.

Исследования осуществлялись с помощью

современного пакета прикладных программ

ANSYS FLUENT.

В процессе расчета задавались следующие

начальные и граничные условия: плотность газов

ρг = 1,225 кг/м3; вязкость μг = 1,79·10-5кг/(м·с),

материал стенки канала алюминий с шерохо-

ватостью 0,1 мм и плотностью ρал = 2690 кг/м3.

Исследовался диапазон начальных скоростей

uг = 1…15 м/с.

Для точности расчетов в программном па-

кете использовался критерий сходимости 10-4

для переменных скоростей, условия неразрыв-

ности потока, кинетической энергии турбулент-

ности и напряжения Рейнольдса.

Расчетная геометрия, с учетом габаритов

сепарационного оборудования, представлена на

рис. 6. В процессе построения учитывалось ко-

личество профилей исходной геометрии сепара-

ционного элемента маслоотделителя, а так же

его габаритные размеры.

В процессе выполнения работы построена

расчетная геометрия, состоящая треугольных

сегментов площадью S = 30·10-8 м2, учитывалась

шероховатость стенок — 0,1 мм, характеристи-

ки материала, коэффициент пульсаций и макси-

мальный радиус турбулентного вихря сепараци-

онного элемента. Изучался 2D элемент в неста-

ционарных условиях с постоянной осредненной

скоростью истечения газовой струи из входного

сопла U0 = 3 м/с.

Исследование газодинамики сепарационного профиля

маслоотделителя путем применения расчетного

комплекса ANSYS FLUENT

Рыжков С.С., Гончарова Н.А.

Ðèñ. 6. Ðàñ÷åòíàÿ ãåîìåòðèÿ ðàáî÷åé îáëàñòè ñåïàðàöèîííîãî ýëåìåíòà: à — ãåîìåòðèÿ ýëåìåíòà, á — ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà êàíàëà èñòå÷åíèÿ

55


ANSYS в вузах


В результате исследований получено рас-

пределение векторов скорости в 2D элементе

сепарационного оборудования при U0=3 м/с. Ви-

зуализация газодинамической обстановки поз-

воляет определить эффективность конструкции

и возможность дальнейшей адаптации, модифи-

цирования и повышения коэффициентов улав-

ливания газоочистителей. Как видно из рис. 7,

происходит неравномерное распределение га-

зового потока в рабочем участке, что интенси-

фицирует процесс осаждения полидисперсных

аэрозолей. По мере прохождения газов через

пакет профилей наблюдается повышение скоро-

сти газового потока, это свидетельствует об об-

разовании зон повышенной турбулентности,

благодаря чему происходит интенсификация

осаждение высокодисперсных частиц (осред-

ненное значение скорости газа в вихревых зо-

нах достигает Uг = 7,2 м/с).

Выполнен расчет линий тока газа в 2D гео-

метрии рабочего канала. Как видно из рис. 8,

наблюдаются значительные вихреобразование

при повороте течения газа, что подтверждено

расчетами распределения векторов скорости.

По расчету линий тока можно студить о траекто-

рии движения дисперсных частиц и основных

зонах осаждения.

Выполнен расчет гидродинамический ха-

рактеристик рабочего элемента (рис. 9–11): ста-

тического давления, кинетической энергии тур-

булентности, интенсивности турбулентности.

Как видно из рис. 9, наблюдается незначитель-

ный перепад давления, что подтверждает низ-

кое аэродинамическое сопротивление элемента

маслоотделителя, при этом из рис. 10–11 четко

видны зоны вихреобразования, которые значи-

тельно влияют на процесс сепарации, разделе-

нии двухфазной среды с дальнейшим отводом

рабочей жидкой фазы.

Ðèñ. 7. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòåé â ðàáî÷åì êàíàëå ïðè U0=3 ì/ñ

Ðèñ. 8. Ðàñïðåäåëåíèå ëèíèé òîêà ãàçà â 2D ãåîìåòðèè ðàáî÷åãî êàíàëà ïðè U0=3 ì/ñ

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ â êàíàëå ïðè U0=3 ì/ñ

Ðèñ. 10. Ðàñïðåäåëåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè òóðáóëåíòíîñòè â êàíàëå ïðè U0=3 ì/ñ

Ðèñ. 11. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè òóðáóëåíòíîñòè â êàíàëå ïðè U0=3 ì/ñ


56

ANSYS в вузах


Расчет геометрических характеристик контуров

системы многоконтурного пиролиза почти всег-

да, выполняется как проверочный, то есть сна-

чала принимают конструкцию, а потом расчетом

проверяют ее способность работать на задан-

ном режиме.

В качестве поверхности теплообмена ис-

пользуется трубный пучок с шахматной компо-

новкой труб. Внешне он охлаждается воздухом,

который набегает поперек оси труб.

Охлаждение воздухом было выбрано, опи-

раясь на легкость регулировки его расхода и на

низкую теплоемкость. Это позволяет регулиро-

вать объем теплосъема в больших диапазонах,

тем самым регулируя состав исходного вещест-

ва (продуктов пиролиза).

Исходя из рабочих чертежей была создана

расчетная сетка, которая изображена на рис. 12,

она состоит из 350 тыс. ячеек.

Проверочный расчет выполнялся компью-

терным моделированием теплообмена между

охлаждающим воздухом и трубным пучком. Ре-

зультаты представлены в виде изображений

контуров распределения кинетической энергии,

давления и температуры движения потока воз-

духа на максимальном расходе (рис. 6–8). Также

проанализированы потери давления при раз-

личном расходе воздуха.

Начальная температура охлаждающего

воздуха принята 20оС, средняя температура сте-

нок трубного пучка — 600оС. Также задавались

формулы зависимости теплофизических свойств

воздуха от температуры, что значительно умень-

шило погрешность расчета. Проанализирован

диапазон расхода охлаждающего воздуха от 0

до 750 м3/ч.

Шахматная компоновка трубного пучка

была выбрана исходя из того, что теплопереда-

ча при его обтекании больше чем при обтекании

коридорного пучка.

Анализируя рис. 13, можно сделать следу-

ющие выводы. Наибольший коэффициент теп-

лоотдачи будет в первом ряду шахматного пуч-

ка. Начиная с 3-го ряда коэффициент теплоотда-

Использование пакета ANSYS FLUENT для расчета

геометрических параметров системы многоконтурного

пиролиза

Рыжков С. С., Литвинов И. В.

Ðèñ. 12. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà êîíòóðà ñèñòåìû ìíîãîêîíòóðíîãî ïèðîëèçà

Ðèñ. 13. Ðàñïðåäåëåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ïîòîêà ïî ïðîòî÷íîé ÷àñòè êîíòóðà ñèñòåìû ìíîãîêîíòóðíîãî ïèðîëèçà

Ðèñ. 14. Ïîòåðÿ äàâëåíèÿ ïî ïðîòî÷íîé ÷àñòè êîíòóðà ñèñòåìû ìíîãîêîíòóðíîãî ïèðîëèçà, Ïà

Ðèñ. 15. Òåìïåðàòóðà ïî ïðîòî÷íîé ÷àñòè êîíòóðà ñèñòåìû ìíîãîêîíòóðíîãî ïèðîëèçà, Ê

57


ANSYS в вузах


чи изменяется, это связано с тем, что кинетичес-

кая энергия течения за 3-м рядом стабилизиру-

ется и дальше не изменяется.

На рис. 15 изображено изменение темпера-

туры при обтекании охлаждающего воздуха горя-

чих труб. Анализируя этот рисунок можно сделать

вывод, что необходимо уменьшить зазор между

трубным пучком и стенкой кожуха. Это позволит

увеличить кинетическую энергию в трубном пуч-

ке, поскольку увеличится расход через него. Так-

же необходимо учесть угол раскрытия диффузора

и его длину, это позволит выровнять скорость на-

бегающего потока на трубки, тем самым увеличит

полезную площадь теплообмена.

Моделированием течения охлаждающего

воздуха при различных его потерях были полу-

чены значения аэродинамического сопротивле-

ния контура, которые приведены в виде графика

(рис.16).

Ðèñ. 16. Çàâèñèìîñòü àýðîäèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòóðà ñèñòåìû ìíîãîêîíòóðíîãî ïèðîëèçà (Ïà) îò ðàñõîäà îõëàæäàþùåãî âîçäóõà (ì3/÷)

Компьютерное моделирование остаточного

напряженно-деформированного состояния при

использовании расчетного пакета ANSYS

Ермолаев Г.В., Лабарткава А.В., Татаренко М.А, Андреев Д.Я.

Примером использования расчетного пакета

ANSYS на кафедре «Технология и оборудова-

ние сварочного производства» является дип-

ломная работа «Оптимизация конструкции и

технологии пайки двухслойного медно-графито-

вого бруса на базе компьютерного моделирова-

ния остаточного напряженно-деформированно-

го состояния».

Узлы из разнородных материалов находят

все более широкое применение в современном

энергомашиностроении. Одним из основных

методов получения неразъемного соединения в

таких узлах является диффузионная сварка и

пайка. Однако при существенно отличающихся

физико-механических свойствах: модулях уп-

ругости и коэффициентов линейного темпера-

турного расширения (КЛТР) соединяемых ма-

териалов (табл. 1) приходится решать пробле-

мы не только получения качественного соеди-

нения, но и сохранения нужной формы и целос-

тности узлов после остывания. Изучение на-

пряженно-деформированного состояния (НДС)

таких узлов аналитическими методами невоз-

можно, экспериментально — очень трудоемко и

требует больших материальных и временных

затрат. Компьютерное моделирование позво-

ляет изучать НДС узлов из материалов с любы-

ми свойствами, при этом результаты представ-

ляются в очень наглядной форме в виде полей

и эпюр.

Работа, выполняемая студентами, состоит

из двух частей. Первая часть посвящена обосно-

ванию и выбору оптимальной модели, которая

позволяет получить результат с максимальной

точностью при разумных требованиях к ресур-

сам (памяти и быстродействию) компьютера. Во

второй части студенты учатся анализировать

результаты, полученная модель используется

для определения закономерностей влияния раз-

личных факторов на характер распределения и

величину остаточных напряжений и деформа-

ций в узле.

НДС двухслойного бруса может изучаться

на различных типах моделей, построенных с

учетом симметрии бруса относительно двух

вертикальных плоскостей: объемный брус


58

ANSYS в вузах


(рис. 17,а), объемный цилиндр, плоско-дефор-

мированный слой, выделенный из бруса и осе-

симметричная модель (рис. 17,б).

Сравнение полей напряжений в различных

моделях показало, что они имеют в целом оди-

наковый характер (рис. 18), но уровень напряже-

ний несколько отличается.

Так осевые напряжения σу внутри бруса в

осесимметричной задаче (рис. 18,в) больше, а в

плоско-деформированной (рис. 18,г) меньше,

чем в объемных брусе (рис. 18,а) и цилиндре

(рис. 18,б).

Указанные закономерности подтвержда-

ются сравнением эпюр осевых напряжений

вдоль наружной грани объемного бруса и кром-

ки плоской модели (рис. 3). В объемной задаче

они меньше (в меди –300 МПа, в графите

+10,5 МПа), чем в плоской (в меди –680 МПа, в

графите +13 МПа).

На ребре соотношение обратное (рис. 19),

по результатам решения объемной задачи уро-

вень напряжений выше, чем плоской (в меди –

780 и –680 МПа и в графите 17 и 13 МПа).

Ðèñ. 17. Îáúåìíàÿ (à) è ïëîñêàÿ (á) ìîäåëè áðóñà

Ðèñ. 18. Ïîëÿ îñåâûõ ðàñòÿãèâàþùèõ íàïðÿæåíèé σó íà ïîâåðõíîñòè (à) è âíóòðè îáúåìíîé ìîäåëè áðóñà (á), â îñåñèìåòðè÷íîé (â) è ïëîñêî-äåôîðìèðîâàííîé (ã) ìîäåëÿõ

59


ANSYS в вузах


На рис. 21 приведены аналогичные эпюры,

построенные по результатам решения объемной

цилиндрической (с радиусами 7,5мм и 10,6 мм) и

осесимметричной задач для двухслойного ци-

линдра.

Сравнение этих эпюр показывает, что и в

этом случае уровень напряжений по результа-

там решения осесимметричной задачи выше,

чем объемной (в меди, соответственно, 600 и

300 МПа, в графите 11,5 и 9 МПа). Очевидно, что

в этом случае решающую роль играет более

мелкая разбивка на КЭ в осесимметричной за-

даче, что дает более точный результат.

На основании анализа результатов реше-

ния на различных моделях можно сделать вы-

вод, что плоская задача, требующая намного

меньших ресурсов ЭВМ по сравнению с объем-

ной, дает достаточно точную картину НДС, не-

сколько занижая (в графите около 25%) напря-

жения на ребре и завышая их (в графите около

20%) в средней части грани бруса.

На втором этапе работы исследовалось

влияние толщины соединяемых слоев меди и

графита на плоских моделях одинаковой шири-

ны (10,6 мм). Модель разбивалась на квадрат-

ные КЭ с размером стороны 0,025 мм. Толщина

слоев меди и графита принималась 3+3 мм

(вар. 1) и 6+6 мм (вар. 2).

Анализировались поля (рис. 22) и эпюры

(рис. 23) нормальных напряжений в слое графи-

Ðèñ. 19. Ýïþðû íîðìàëüíûõ îñåâûõ íàïðÿæåíèé σy(z) ïî âûñîòå ãðàíè äâóõñëîéíîãî áðóñà (à) è åãî ãðàôèòîâîãî ñëîÿ (á) ïî ðåçóëüòàòàì ðåøåíèÿ îáúåìíîé ( ) è ïëîñêîé ( ) çàäà÷

Ðèñ. 21. Ýïþðû íîðìàëüíûõ îñåâûõ íàïðÿæåíèé σy(z) âäîëü îáðàçóþùåé öèëèíäðà (à) è åãî ãðàôèòîâîãî ñëîÿ (á) ïî ðåçóëüòàòàì ðåøåíèÿ îñåñèììåòðè÷íîé è îáúåìíûõ çàäà÷

Ðèñ. 22. Ïîëå íîðìàëüíûõ íàïðÿæåíèé σy âàð. 1 â ðàñòÿíóòîé îáëàñòè

Ðèñ. 20. Ýïþðû íîðìàëüíûõ îñåâûõ íàïðÿæåíèé σy(z) âäîëü ðåáðà äâóõñëîéíîãî áðóñà (à) è åãî ãðàôèòîâîãî ñëîÿ (á) ïî ðåçóëüòàòàì ðåøåíèÿ îáúåìíîé ( è ïëîñêîé ( ) çàäà÷

Ðèñ. 23. Ýïþðû ðàñïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåíèé σõ ïî òîëùèíå ãðàôèòà â äâóõñëîéíîì áðóñå âàð. 1 (3+3 ìì) (à) è 2 (6+6 ìì) (á)


60

ANSYS в вузах


та σу, которые соответствуют напряжениям σz в

объемной модели.

Сравнение полей напряжений в вариантах 1

и 2 показало, что при увеличении толщины слоев

характер поля изменяется мало, вытягиваясь в

направлении толщины и ширины. Уровень макси-

мальных напряжений в графите увеличивается

от 13 МПа в вар. 1 до 16 МПа в вар. 2. Точка мак-

симальных растягивающих напряжений в графи-

те, расположенная в варарианте 1 на расстоянии

1,5 мм от стыка, удаляется от него в варарианте 2

до 2,6 мм, то есть в 1,7 раза (рис. 23).

Таким образом, увеличение относительной

толщины слоев меди и графита в 2 раза при не-

изменных длине и ширине бруса, не изменяя в

целом характер распределения напряжений в

сечении двухслойного бруса, несколько увели-

чивает (около 22%) уровень максимальных рас-

тягивающих напряжений σу в графите и смещает

его дальше от стыка практически пропорцио-

нально увеличению толщины.

С целью изучения влияния соотношения

толщин слоев на НДС двухслойного бруса также

исследованы плоские модели той же длины и ши-

рины, но толщины слоев меди и графита прини-

мались разными, соответственно, 3+6 мм (вар. 3)

и 6+3 мм (вар. 4). Размеры КЭ принимались таки-

ми же, как и в вариантах 1 и 2.

Сравнение полей напряжений показало,

что их характер в целом сохраняется, располо-

жение растянутых и сжатых областей остается

прежним, но степень их сосредоточенности и

уровень несколько изменяется. Особенно это

заметно в варарианте 3, в котором большую

толщину имеет менее жесткий материал (гра-

фит). В этом варианте существенно увеличива-

ется (до 30 МПа) уровень растягивающих на-

пряжений (рис. 24).

Ëèòåðàòóðà1. Áîíäèí Þ.È. Îñíîâíå ðåçóëüòàòû îïûòíî-

ïðîìûøëåííîé ýêñïëóàòàöèè ÃÒÄ ÄÍ80Ë íà ÊÑ

“Ñîôèåâñêàÿ” / Þ.È. Áîíäèí, À.Á. Ìèõàéëîâ // Ñóäîâîå è ýíåðãåòè÷åñêîå ãàçîòóðáîñòðîåíèå. — Ò. 1. — Íèêîëàåâ: ÍÏÊÃ “Çîðÿ”-”Ìàøïðîåêò”, ÍÎ ÈÀÓ, 2004. — Ñ.7–16.

2. Ïîâûøåíèå ýêîëîãè÷åñêîé áåçîïàñíîñòè ãàçîòóðáèííûõ óñòàíîâîê èñïîëüçîâàíèåì òåõíîëîãèè ìàëîýìèññèîííîãî ñæèãàíèÿ òîïëèâ / À.Á. Ìîñòèïàíåíêî // Çá³ðíèê íàóêîâèõ ïðàöü ÍÓÊ. — Ìèêîëà¿â: ÍÓÊ, 2007. — ¹1 (412). — Ñ.100-108.

3. Áóäàíîâà Í.À. Ñîçäàíèå íèçêîýìèññèîííûõ êàìåð ñãîðàíèÿ äëÿ ãàçîòóðáèííûõ äâèãàòåëåé ÄÍ70, ÄÍ80, ÄÁ90 / Í.À. Áóäàíîâà, Â.Ã. Âàíöîâñêèé, Å.Â. Êîðîòè÷ // Ñóäîâîå è ýíåðãåòè÷åñêîå ãàçîòóðáîñòðîåíèå. — Ò.1. Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèå è îïûòíî-êîíñòðóêòîðñêèå ðàçðàáîòêè. — Íèêîëàåâ: ÍÏÊÃ “Çîðÿ”-”Ìàøïðîåêò”, 2004. — Ñ.31-35.

4. Ñåðáèí Ñ.È. Ðàçðàáîòêà ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè îáðàçîâàíèÿ çàãðÿçíÿþùèõ âåùåñòâ â êàìåðàõ ñãîðàíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ ÃÒÓ / Ñ.È. Ñåðáèí, À. Á. Ìîñòèïàíåíêî // Íàóêîâ³ ïðàö³: Íàóêîâî-ìåòîäè÷íèé æóðíàë. Òåõíîãåííà áåçïåêà. — Ìèêîëà¿â: Âèä-âî ÌÄÃÓ ³ì. Ïåòðà Ìîãèëè, 2006. — ¹49(36). — Ñ.38-44.

5. Ñåðá³í Ñ.². ×èñëîâå ìîäåëþâàííÿ ïðîöåñ³â ãîð³ííÿ â åêñïåðèìåíòàëüíîìó â³äñ³êó ã³áðèäíî¿ êàìåðè çãîðÿííÿ ÃÒÄ ïîòóæí³ñòþ 25 ÌÂò / Ñåðá³í Ñ.²., Ìîñò³ïàíåíêî Ã.Á. // Â³ñíèê Íàö³îíàëüíîãî òåõí³÷íîãî óí³âåðñèòåòó «Õàðê³âñüêèé ïîë³òåõí³÷íèé ³íñòèòóò». Çá³ðíèê íàóêîâèõ ïðàöü. Òåìàòè÷íèé âèïóñê: «Åíåðãåòè÷í³ òà òåïëîòåõí³÷í³ ïðîöåñè é óñòàòêóâàííÿ». — Õàðê³â: ÍÒÓ «ÕÏI». — 2006. — ¹ 5. — C.59-66.

6. Áåëîóñîâ Â.Â. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû ïðîöåññîâ ãàçîî÷èñòêè. — Ì.: Ìåòàëëóðãèÿ, 1988. — 256 ñ.

7. Ðûæêîâ Ñ.Ñ., Áàñîê Á.È. Ýêîëîãè÷åñêèå ðåñóðñîñáåðåãàþùèå òåõíîëîãèè äëÿ ïðîìûøëåííîé òåïëîòåõíèêè íà îñíîâå äèñïåðñíûõ äâóõôàçíûõ ñðåä // Ïðîìûøëåííàÿ òåïëîòåõíèêà. — 2001. — 23. ¹4–5. — Ñ. 141–145.

8. Ì. Âàí-Äàéêà. Òå÷åíèå æèäêîñòè è ãàçà./Ìîñêâà. «ÌÈÐ» 1986 –Ñ.114.

9. Ï. Ðàéñò. Àýðîçîëè. Ââåäåíèå â òåîðèþ // Ìèð, 1987– Ñ. 34–40.

10. Ìåäíèêîâ Å.Ï. Òóðáóëåíòíûé ïåðåíîñ è îñàæäåíèå àýðîçî ëîé. — Ì.: Íàóêà, 1981.–176 ñ.

11. Çàùèòà àòìîñôåðû îò ïðîìûøëåííûõ çàãðÿçíåíèé: Ñïðàâî÷íèê. ×. 1/ Ïîä ðåä. Ñ. Êàëâåðòà è Ã.Ì. Èíãëóíäà. — Ì.: Ìåòàëëóð ãèÿ, 1988. — 760 ñ.

12. Ðèæêîâ Ñ.Ñ., Õàðèòîíîâ Þ.Ì., Áëàãîäàòíèé Â.Â. Ìåòîäè î÷èùåííÿ ïîâ³òðÿíîãî ñåðåäîâèùà â³ä çàáðóäíåíü: Ìåòîäè÷í³ âêàç³âêè. — Ìèêîëà¿â: ÓÄÌÒÓ. — 2002. — 56 ñ.

Ðèñ. 24. Ýïþðû ðàñïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåíèé σõ ïî òîëùèíå äâóõñëîéíîãî áðóñà âàð. 3 (3+6 ìì) (à) è 4 (6+3 ìì) (á)

61


ANSYS в вузах


Возможности параметрического моделирования

объектов любой сложности и реалистичность

визуализации программного комплекса ANSYS

представляют собой педагогический потенциал,

который при создании определенных условий

способствует не только приобретению знаний,

умений и необходимых навыков проектирова-

ния, но и формированию творческих способнос-

тей, воображения и технического мышления.

В Государственном образовательном уч-

реждении высшего профессионального образо-

вания «Тамбовский Государственный Техничес-

кий Университет» на кафедре «Техносферная

безопасность» программный комплекс ANSYS

используется для расчетов параметров гидроди-

намики потоков жидкости в трубопроводах, тру-

бопроводной арматуре, гидравлического и теп-

ломассообменного оборудования. Такие расче-

ты необходимы при изучении дисциплин «Мате-

матическое моделирование», «Применение

ЭВМ в инженерных расчетах», «Информацион-

ные технологии 3D-проектирования», «Расчет и

конструирование безопасных элементов обору-

дования», «Прочностные расчеты элементов

оборудования» и в научно-исследовательской

работе студентов и аспирантов.

В качестве примера применения програм-

много комплекса ANSYS, предлагаем рассмот-

реть расчет многоступенчатого проточного сме-

сителя. Общий вид моделируемой конструкции

показан на рис. 1.

Для моделирования течения потока жид-

кости в проточном смесителе была создана ис-

ходная геометрическая модель проточного сме-

сителя в Autodesk Inventor Professional 2010 и

импортирована в сеточный генератор ANSYS

ICEM CFD. В качестве параметров жидкости ис-

пользовались физические свойства воды при

начальной температуре 25°С. Расчет произво-

дился в ANSYS Academic Teaching Advanced в

модуле ANSYS CFX. Модель исследовалась при

различных комбинациях расхода и давления

жидкости.

На рис. 2–3 приведены примеры расчетных

полей скорости и давления для продольного се-

чения рабочей зоны смесителя.

Для проверки расчетных зависимостей

были выполнены экспериментальные исследо-

Применение ANSYS для

расчета гидродинамического

смесителя

Степанов Андрей Юрьевич,

ГОУ ВПО Тамбовский Государственный Технический Университет

Ðèñ. 2. Ïðèìåð ïîëÿ ñêîðîñòåé äëÿ ïðîäîëüíîãî ñå÷åíèÿ ðàáî÷åé çîíû ñìåñèòåëÿ

Ðèñ. 1. Ñõåìà ïðîòî÷íîãî ñìåñèòåëÿ


62

ANSYS в вузах


вания гидродинамических параметров реально-

го смесителя. Расход жидкости регулировался

объемным насосом марки НМШГ 20-25-14/10,

измерения давления и расхода жидкости произ-

водились при помощи манометров МТ — 100 и

счетчика жидкости ППТ — 32/ 6,4.

На рис. 4 сплошной линией показаны рас-

четные значения напорно-расходной зависимос-

ти смесителя, точками — экспериментальные

данные.

Погрешность расчета напорно-расходных

параметров ПГС составляет в среднем 11 % по

сравнению с экспериментальными данными.

Для определения эффективности работы

смесителя измеряли интенсивности кавитации

при помощи кавитометра марки ICA-3DH в пото-

ке жидкости на выходе 4-ой ступени. Четвертая

ступень смесителя представляет собой диск с

каналами цилиндрической формы одинакового

диаметра. Количество каналов в диске изменя-

ли от 6 до 16 .

Для проточных смесителей мерой разви-

тия кавитации является число Струхаля

, где Sh — число Струхаля,

Рвых — давление на выходе из каналов или сту-

пеней смесителя, Рнас. пара — давление насыщен-

ных водяных паров при температуре 25°С

(Рнас. пара = 3167 Па), Vвых — скорость потока жид-

кости на выходе из каналов или ступеней смеси-

теля. Для расчета Sh необходимо определить

значения давления и скорости потока жидкости

на определенном расстоянии от диска. Значения

скорости и давления определяли по модели те-

чения потока жидкости через смеситель, рас-

считанной в ANSYS.

Чем больше число Струхаля, тем интенсив-

нее кавитация в потоке жидкости, поэтому уве-

личение числа Струхаля косвенно показывает

увеличение интенсивности кавитации. На рис. 5

представлены графики расчетных зависимостей

числа Струхаля и экспериментальных значений

интенсивности кавитации от скорости потока

жидкости на выходе из каналов и количества ка-

налов.

Графики экспериментальной зависимости

интенсивности кавитации (I) от скорости (V) под-

тверждают качественную зависимость числа

Струхаля (Sh) от скорости (V), графики которой

получены путем моделирования течения потока

жидкости в смесителе.

Таким образом, с помощью расчетного

комплекса ANSYS CFX можно получить все ос-

новные данные, необходимые для проектиро-

вания и оптимизации многоступенчатого про-

точного смесителя, что позволяет значительно

уменьшить временные затраты при разработке

новых конструкций, так как можно существенно

сократить объемы стендовых испытаний. Кро-

ме того с помощью программного комплекса

ANSYS, можно в сравнительно короткие сроки

оценить характеристики разных вариантов

конструкций и выбрать наилучшую.

Ðèñ. 3. Ïðèìåð ïîëÿ äàâëåíèé äëÿ ïðîäîëüíîãî ñå÷åíèÿ ðàáî÷åé çîíû ñìåñèòåëÿ

Ðèñ. 4. Íàïîðíî-ðàñõîäíàÿ çàâèñèìîñòü ÏÃÑ; ñïëîøíàÿ ëèíèÿ — ðàñ÷åòíûå çíà÷åíèÿ; òî÷êè — ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå

Ðèñ. 5. Ãðàôèêè ðàñ÷åòíûõ çàâèñèìîñòåé ÷èñëà Ñòðóõàëÿ (Sh) è ýêñïåðèìåíòàëüíûõ çíà÷åíèé èíòåíñèâíîñòè êàâèòàöèè I (îòí. åä.) îò ñêîðîñòè ïîòîêà æèäêîñòè íà âûõîäå èç êàíàëîâ(V) è êîëè÷åñòâà êàíàëîâ n äèàìåòðîì 2 ìì. Êðèâàÿ 1 — n= 6; êðèâàÿ 2 — n= 8; êðèâàÿ 3 — n= 16

63


ANSYS в вузах


Современный уровень развития науки и техники

требует разработки и создания новых конструк-

ционных материалов с возможностью изменения

исходных характеристик. К таким материалам

относятся различные виды композиционных ма-

териалов, все более широко применяемые во

многих отраслях промышленности. Возможность

варьирования состава, формы включений и объ-

ема компонентов композиционного материала

позволяет создавать новые материалы с высоки-

ми показателями прочности, твердости, жесткос-

ти и хорошими демпфирующими свойствами,

обеспечивающими сокращение времени затуха-

ния переходных процессов и уменьшение ампли-

туд колебаний конструкций при динамических

нагрузках. Для определения динамических ха-

рактеристик композиционных материалов чаще

всего используются численные методы, позволя-

ющие наиболее точно описать поля напряжений

и деформаций.

Преподавателями кафедры теоретической

и прикладной механики и студентами инженер-

ных специальностей механико-технологического

факультета Черниговского государственного

технологического университета исследовались

характеристики вязкоупругих композиционных

материалов с различными структурами армиро-

вания. Основой для определения динамических

характеристик стало конечно-элементное моде-

лирование материалов в программном комплек-

се ANSYS Mechanical, а именно построение и

расчет так называемых представительских эле-

ментов объема материала, периодическое пов-

торение которых обеспечивает воссоздание ре-

альной структуры материала.

Для определения напряженно-деформиро-

ванного состояния представительского элемента

численно решаются краевые задачи при опреде-

ленных вариантах деформирования. Необходи-

мые характеристики определяются путем усред-

нения после приравнивания энергий деформации

представительского элемента объема и некото-

рого условного квазиоднородного материала.

Анализ напряженного состояния при де-

формациях поперечного растяжения и продоль-

ного сдвига показывает существенную неравно-

мерность распределения напряжений в компо-

зиционном материале (рис. 1).

Расчеты в ANSYS Mechanical позволяют

построить модель напряженного состояния

представительских элементов объема при раз-

личных видах деформирования (рис. 2).

Исследование влияния структурных осо-

бенностей на динамические характеристики

проводилось как для наиболее распространен-

ных ординарных композиционных материалов

(однонаправленные материалы с разными схе-

мами армирования — рис. 3–4), так и для более

сложных структур композиционных материалов

с пространственным армированием (рис. 5).

Также с помощью конечно-элементного

моделирования были определены модули сдви-

Применение ANSYS для анализа

динамических характеристик

композиционных материалов

Яковенко О.А., Завальная И.В.,Наливайко Ю.Н.

Черниговский государственный технологический университет, Украина

Ðèñ. 1. Íàïðÿæåííîå ñîñòîÿíèå â îäíîíàïðàâëåííîì ñòåêëîïëàñòèêå ïðè äåôîðìàöèÿõ ïîïåðå÷íîãî ðàñòÿæåíèÿ (ñëåâà) è ïðîäîëüíîãî ñäâèãà (ñïðàâà)

Ðèñ. 2. Íàïðÿæåííîå ñîñòîÿíèå ïðåäñòàâèòåëüñêîãî ýëåìåíòà îáúåìà îäíîíàïðàâëåííîãî ñòåêëîïëàñòèêà ïðè ðàçëè÷íûõ âàðèàíòàõ äåôîðìèðîâàíèÿ


64

ANSYS в вузах


га панелей с сотовым заполнителем с ячейками

различных конфигураций (рис. 6). Подобные

элементы широко применяются в конструкциях

транспортных средств, в авиа- и судостроении.

В результате исследований построены ма-

тематические модели однонаправленных и про-

странственно-армированных вязкоупругих ком-

позиционных материалов с различными схема-

ми армирования с учетом влияния угла поворота

волокон, структуры армирования и видов арми-

рующих волокон, а также определены их дина-

мические характеристики. Анализировалось

влияние структурных параметров на уровень

рассеяния энергии в материалах. Полученные

результаты показали, что целенаправленное из-

менение параметров структуры существенно

влияет на конечные динамические характерис-

тики материала, что дает возможность повы-

сить, в частности, уровень рассеяния энергии в

композиционном материале еще на этапе про-

ектирования конструкции и улучшить тем самым

его демпфирующие свойства.

Ëèòåðàòóðà1. Áåðñóäñêèé Â.Å. Òåõíîëîãèÿ èçãîòîâëåíèÿ ñîòîâûõ

àâèàöèîííûõ êîíñòðóêöèé / Â.Å. Áåðñóäñêèé, Â.Í. Êðûñèí, Ñ.È. Ëåñíûõ. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1975. — 296 ñ.

2. Êðèñòåíñåí Ð. Ââåäåíèå â ìåõàíèêó êîìïîçèòîâ / Ð. Êðèñòåíñåí. — Ì.: Ìèð, 1982. — 334 ñ.

3. ßêîâåíêî Î.À. Ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç âëèÿíèÿ ñõåì àðìèðîâàíèÿ íà õàðàêòåðèñòèêè ðàññåÿíèÿ ýíåðãèè â îäíîíàïðàâëåííûõ âîëîêíèñòûõ êîìïîçèòàõ // Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû â ïðîìûøëåííîñòè: ìàòåðèàëû 27 ìåæä. êîíô. è âûñòàâêè (ßëòà, 28 ìàÿ–1 èþíÿ 2007 ã.) — ßëòà, 2007. — Ñ. 422–425.

4. ßêîâåíêî Î.À. Âëèÿíèå èçìåíåíèÿ óãëà àðìèðîâàíèÿ íà õàðàêòåðèñòèêè ðàññåÿíèÿ ýíåðãèè â îäíîíàïðàâëåííûõ âîëîêíèñòûõ ïîëèìåðíûõ êîìïîçèòàõ // Ïåðñïåêòèâíûå ïîëèìåðíûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû. Àëüòåðíàòèâíûå òåõíîëîãèè. Ïåðåðàáîòêà. Ïðèìåíåíèå. Ýêîëîãèÿ: äîêëàäû ìåæä. êîíô. „Êîìïîçèò -2007” (Ñàðàòîâ, 3–6 èþëÿ 2007 ã.) — Ñàðàòîâ, 2007. — Ñ. 434–436.

5. Äóáåíåöü Â.Ã., ßêîâåíêî Î.Î. Âèçíà÷åííÿ åôåêòèâíèõ õàðàêòåðèñòèê â’ÿçêîïðóæíèõ êîìïîçèö³éíèõ ìàòåð³àë³â, àðìîâàíèõ âîëîêíàìè // Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè. — 2009. — ¹ 4. — Ñ. 124–132.

Ðèñ. 3. Ïëîñêàÿ è ïðîñòðàíñòâåííàÿ êîíå÷íî-ýëåìåíòíûå ìîäåëè îäíîíàïðàâëåííîãî ñòåêëîïëàñòèêà ñ òåòðàãîíàëüíîé ñõåìîé àðìèðîâàíèÿ

Ðèñ. 4. Ïëîñêèå è ïðîñòðàíñòâåííûå ïðåäñòàâèòåëüñêèå ýëåìåíòû îáúåìà ãèáðèäíîãî (ââåðõó) è îäíîíàïðàâëåííîãî ñòåêëîïëàñòèêà ïðè ïîâîðîòå âîëîêîí â ìàòðèöå íà óãîë 30° (âíèçó)

Ðèñ. 5. Ïðåäñòàâèòåëüñêèå ýëåìåíòû îáúåìà òðåõ- (ââåðõó) è ÷åòûðåõíàïðàâëåííîãî (âíèçó) ñòåêëîïëàñòèêà

Ðèñ. 6. Ïðåäñòàâèòåëüñêèå ýëåìåíòû îáúåìà ðàçëè÷íûõ âèäîâ ñîòîâûõ çàïîëíèòåëåé

ЭНЕРГЕТИКА

И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Âåòðîâàÿ Âåòðîâàÿ ýíåðãåòèêàýíåðãåòèêà

Ýëåêòðè÷åñêèé Ýëåêòðè÷åñêèé ðàñ÷åò êîììóòàòîðàðàñ÷åò êîììóòàòîðà

Îïòèìèçàöèÿ Îïòèìèçàöèÿ âîëíîâîé âîëíîâîé ýíåðãîóñòàíîâêèýíåðãîóñòàíîâêè