Методи моделювання динамічної поведінки, визначення міцності та оцінки конструкційної стійкості композиційних лопаток роторних машин

Abstract

Робота розглядає методи кріплення та аналізу композиційних лопаток роторних машин, а саме варіанти з’єднання металевих та композиційних частин, підходи до створення розрахункової моделі та моделювання статичної і динамічної механічної поведінки композиційних лопаток та способи визначення їхньої міцності за різними критеріями з урахуванням особливостей з’єднань. З цією метою проведений детальний огляд наявних в літературі застосувань композиційних лопаток в роторних машинах різного призначення, а також наведені варіанти поєднання композиційних та металевих частин для визначення найбільш оптимального підходу до створення міцної лопатки, що складається з таких частин. Спосіб побудови розрахункової моделі включає в себе особливості кріплення, проілюстровані на прикладі композиційної лопатки ротора, яка містить сталевий хвостовик та композиційний аеродинамічний профіль із шарами різної товщини та ребрами жорсткості, що з’єднують дві бокові поверхні профілю та проходять вздовж радіального напрямку ротора від кореневого до периферійного перерізів профілю лопатки для забезпечення його міцності та конструкційної стійкості. Аналіз міцності композиційної лопатки виконується на основі критеріїв, спеціально розроблених для композиційних матеріалів, зокрема критерію Хашина. Конструкційну стійкість композиційного профілю лопатки запропоновано аналізувати під дією аеродинамічного тиску потоку для визначення його критичного значення, при якому може статись втрата стійкості за визначеними формами. Динамічні характеристики профілю знаходяться у вигляді власних частот та власних форм коливань з урахуванням переднапруженого стану від відцентрових сил та аеродинамічного тиску потоку. Ідентифікацію властивостей композиційного матеріалу аеродинамічного профілю лопатки пропонується проводити за допомогою чисельних експериментів та натурних експериментальних досліджень, а адекватність моделювання його механічної поведінки та міцності може бути перевірена на основі розглянутого у роботі стенду.The work considers methods of joining and analysis of composite blades of rotary machines, namely options for connecting metal and composite parts, approaches to creating a calculation model and modeling the static and dynamic mechanical behavior of composite blades, and techniques of determining their strength according to various criteria, taking into account the characteristics of connections. For this purpose, a detailed review of the applications of composite blades in rotary machines for various purposes, available in the literature, was carried out, as well as options for combining composite and metal parts were given to determine the most optimal approach to creating a strong blade consisting of such parts. The method of construction of the calculation model includes features of joints, illustrated on the example of a composite rotor blade, which contains a steel root and a composite airfoil with layers of different thicknesses and stiffening ribs connecting two side surfaces of the airfoil and passing along the radial direction of the rotor from the root to peripheral sections of the blade airfoil to ensure its strength and structural stability. The analysis of the strength of the composite blade is performed on the basis of criteria specially developed for composite materials, in particular, the Hashin criterion. It is proposed to analyze the structural stability of the composite blade profile under the influence of the aerodynamic pressure of the flow to determine its critical value, at which the buckling may occur by certain shapes. The dynamic characteristics of the airfoil are found in the form of natural frequencies and natural forms of vibrations, taking into account the prestressed state from centrifugal forces and the aerodynamic pressure of the flow. It is proposed to identify the properties of the composite material of the blade airfoil using numerical experiments and full-scale experimental studies, and the adequacy of the modelling of its mechanical behavior and strength can be checked on the basis of the rig considered in the work.