Основы анализа прочностной надежности двигателей

Лекция №2

Под прочностной надежностью понимается отсутствие отказов (нарушений работоспособнос­ти) конструкции, связанных с разрушением или недопустимой деформацией ее элементов.

Обеспе­чение прочностной надежности является одной из важнейших задач, решаемых на стадиях проекти­рования, экспериментальной доводки, производ­ства и эксплуатационного обслуживания авиационных двигателей. Обеспечением прочностной надежности приходится заниматься не только специалистам- прочнистам, но и конструкторам, испы­тателям, технологам, эксплуатационникам.

Количественной характеристикой прочност­ной надежности является вероятность безотказной работы в течение заданного ресурса. Поскольку на стадии проектирования двигателя непосредствен­ное определение этой характеристики затрудни­тельно, для оценки прочностной надежности обыч­но пользуются коэффициентами запаса прочности. Кроме того, поскольку часто разрушение деталей представляет собой процесс постепенного накоп­ления повреждений, пользуются оценками долго­вечности (ресурса).

Ресурс двигателя (узла, детали) - наработка, при достижении которой эксплуатация двигателя (узла, детали) становится невозможной или недо­пустимой и должна быть прекращена. Ресурс из­меряется в часах эксплуатации двигателя или в по­летных циклах. В течение ресурса двигатель должен удовлетворять требованиям безопаснос­ти полетов, сохранять заданные эксплуатацион­ные характеристики (тягу, удельный расход топ­лива и др.).

Методология обеспечения прочностной на­дежности состоит в расчетном и эксперименталь­ном моделировании нагружения деталей и их по­ведения в условиях эксплуатации (см. рисунок 3.1). Термин «моделирование» здесь отражает понима­ние отличия реальных процессов, происходящих при эксплуатации детали в двигателе, и тех пред­ставлений об этих процессах, которые удается ре­ализовать в расчетах и экспериментах.

Рисунок 3.1 – Схема моделирования прочностной надежности

Для определения критериев прочностной на­дежности (коэффициентов запаса, долговечности, вероятности поломки) необходимо обоснованно выбрать или разработать модельные (упрощенные) представления о поведении материала, форме де­тали, действующих нагрузках и механизме разру­шения.

В качестве моделей материала обычно исполь­зуются модели сплошной среды, достоверно опи­сывающие поведение металлов и полимерных ма­териалов, используемых для изготовления деталей ГТД. Основная особенность этих моделей - осред­нение свойств по объемам материала, содержащим достаточно большое число структурных элементов (например, зерен металла). При решении исследо­вательских задач иногда используются модели, учитывающие реальную структуру материала (на­пример, при оценке ресурса деталей). Применение той или иной модели поведения материала опре­деляется условиями работы детали, преимущественными механизмами разрушения. В любом случае модель материала включает в себя характе­ристики, определяемые из специальных экспери­ментов.

Модели формы - упрощенные представления о форме деталей: учет всех особенностей формы детали не всегда возможен и целесообразен. Вы­бор той или иной модели формы обычно предпо­лагает определенные упрощенные представления о напряженно-деформированном состоянии дета­ли. Так, например, применение стержневых моде­лей, которыми обычно ограничиваются расчеты в курсе сопротивления материалов, предполагает, что напряженное состояние детали одноосное. Стержневая модель, например, при расчете на проч­ность лопатки, дает лишь приближенное представ­ление о напряженном состоянии; для анализа та­ких эффектов как концентрация напряжений необходимы трехмерные модели.

Модели нагружения - совокупность упрощен­ных представлений о взаимодействии детали с дру­гими элементами двигателя, характере распреде­ления по поверхности или объему и изменении во времени внешних сил, моментов, давлений. Как правило, модели нагружения должны учитывать нагрев детали. По характеру изменения во време­ни принято различать квазистатические и динами­ческие нагрузки. Первые изменяются во времени в связи с изменением режима работы двигателя или полета летательного аппарата; они могут изменять­ся циклически с периодичностью в минуты и да­же часы и определять процессы малоцикловой ус­талости материала. Динамические нагрузки связаны с колебаниями элементов двигателя, харак­терная частота их изменений - сотни и тысячи раз в секунду; они определяют процессы многоцикло­вой усталости.

Дата добавления: 2014-01-11