Специалисты NASA рекомендуют MSC.Nastran для разработки современных авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок.
По материалам «Alfa Magazine» #4, 2005
Испытания по роторной динамике являются одним из важнейших критериев обеспечения работоспособности и безопасности как газотурбинных двигателей, так и летательных аппаратов в целом. Современные летательные аппараты рождаются на основе взаимодействия производителей планера и двигательных установок.
С момента своего основания, с компаниями, занимающимися разработкой двигателей и планеров, тесно сотрудничает NASA (National Aeronautics and Space Administration) США. Предлагаемая Вашему вниманию статья содержит некоторые комментарии сотрудников ведущих исследовательских центров NASA.
До недавнего времени компьютерные программы моделирования роторной динамики, необходимые, поскольку реальные физические испытания прототипов чрезвычайно дороги, в значительной степени разрабатывались конструкторами авиадвигателей самостоятельно, отличались низкой универсальностью и не обеспечивали быстрой передачи расчетных моделей и данных моделирования между заказчиками и исполнителями.
MSC.Nastran традиционно широко используется в аэрокосмической индустрии. Поэтому, так или иначе, все эти программы должны были иметь связь с MSC.Nastran.
«До тех пор, пока всеобъемлющей комплексной системы для анализа роторной динамики на больших конечно-элементных моделях не существовало, разработчики собственных приложений тратили много времени на интеграцию своих разработок с MSC.Nastran. Соответственно, с каждой новой версией MSC.Nastran, каждая компания должна была обновлять свои расчетные модули.
Помимо этих сложностей, поскольку каждая компания имела собственный формат представления данных, требовались дополнительные манипуляции для передачи производителям планера информации о двигателе с целью интеграции модели двигателя в модель планера.
Теперь MSC.Nastran обеспечивает единую среду для решения задач роторной динамики, единый стандартный интерфейс для быстрой передачи данных и моделей. Все пользователи теперь могут использовать одну и ту же модель, а передача данных стала принципиально быстрее, корректнее и проще».
Роторная динамика MSC.Nastran обеспечивает:
- Анализ установившихся и переходных динамических процессов на базе как упрощенных стержневых – массовых моделей, так и на основе подробных 3D CAD моделей.
- Исследование спектров собственных частот и форм колебаний отдельных деталей и узлов с анализом распределения относительных напряжений при колебаниях по собственным формам. Построение диаграмм Кемпбелла.
- Построение Математических моделей динамического поведения многороторных двигателей с учетом нелинейных характеристик опор, включающих исследования критических частот вращения роторов, анализ условий возникновения и параметров прямой и обратной прецессий, изучение реакций на обрыв лопаток и касание ротора о статор.
Одна из важнейших областей, в которой NASA сотрудничает с компаниями, проектирующими ГТД, – разработка улучшенных инструментов моделирования защиты двигателя, в частности, для анализа отклика на обрыва лопатки (тест на обрыв лопатки требуется федеральной авиационной сертификационной комиссией США).
Один из аспектов такого анализа – подтверждение, что лопатка не пробивает корпус двигателя при обрыве. Другой аспект – подтверждение, что большие дисбалансы, возникающие вследствие обрыва лопатки, не приводят к разрушению как двигателя, так и планера. Такой тип анализа требует использования очень больших и сложных моделей. И практически единственной системой, которая может быть применена для этого, является MSC.Nastran.
Поскольку реальные физические испытания подразумевают разрушение конструкции (двигателя), то, если эксперимент не дает положительных результатов, и он должен быть повторен, для него необходимо изготовить новый двигатель. Это чрезвычайно дорогостоящая и затратная по времени процедура в условиях, когда стоимость одного испытания составляет десятки миллионов долларов.
«Анализ обрыва лопатки определяет, что произойдет, когда лопатка двигателя оторвется. За исключением MSC.Nastran, нет ни одной другой системы, способной выполнить такого типа анализ системы «двигатель – планер» с требуемой достоверностью.
Физический тест обычно стоит порядка 10 млн. долларов и более. И повторение его крайне нежелательно. Новые возможности роторной динамики MSC.Nastran позволяют нам выполнять тест в виртуальной среде и гарантировать, что физические испытания будут успешными с первой попытки».
В VPD – среде тест на обрыв лопатки может быть выполнен например с шагом 10 – 15 градусов по окружности ротора с тем, чтобы быть уверенным, что при любом угле потери лопатки двигатель и планер останутся безопасными и не перенагруженными.
Другой вопрос – сложность реального процесса обрыва лопатки. Большинство систем позволяют лишь учесть присутствие единичной несбалансированной массы для моделирования эффекта обрыва лопатки. Но в реальной жизни все гораздо сложнее. Часто, сначала отрывается лишь один кусок лопатки. После непродолжительного периода времени обрываются еще куски, после чего начинается обрыв кусков из смежных лопаток. В то время, когда это все происходит, скорость ротора может измениться, поскольку двигатель может быть отключен.
«MSC.Nastran включает возможности такого моделирования. Так что в настоящее время вы можете моделировать сложные ситуации обрыва лопаток при непостоянной скорости вращения ротора»
«Другая область, в которой мы работаем, - это разработка т.н. магнитных подшипников, призванных заменить традиционные в двигателях самолетов и турбинных машинах в том числе с целью уменьшить нагрузки, возникающие при обрыве лопаток.
Мы разработали испытательную установку для подтверждения наших идей. Но в конечном счете, нам придется тестировать эти идеи на реальных летательных аппаратах. Мы полагаем, что MSC.Nastran будет полезен и даст нам возможность выполнить необходимые оценки».
Магнитные подшипники являются «активными», с изменяемыми величинами жесткости и демпфирования. Жесткость и демпфирование регулируются в полете, что позволяет компенсировать возникающие в результате обрыва лопатки нагрузки. До сих пор, инженеры работали с наземными испытательными стендами и относительно простыми моделями роторных магнитных подшипников.
«С возможностями роторной динамики MSC.Nastran магнитные подшипники могут быть включены в общую комплексную модель «двигатель – планер». Используя такое моделирование, характеристики магнитных подшипников могут быть исследованы в реалистичных условиях работы».
«Так же, в Glenn Research Center NASA мы имеем большую программу экспериментов по микрогравитации. Инструменты роторной динамики MSC.Nastran весьма полезны при исследовании возбуждения конструкции экспериментальной установки в процессе полета, будь то космический корабль или исследовательская лаборатория на борту специального самолета, выполняющего микрогравитационный маневр. С применением MSC.Nastran, мы можем определять нагрузки, возникающие в процессе маневра, что позволяет быть уверенными в достоверности проводимых экспериментов.
Мы должны были вручную выполнять вычисления по определению нагрузок, приходящихся на экспериментальную установку во время выполнения микрогравитационного маневра, когда самолет выполняет движение по параболической траектории, в то время как экспериментальная установка вращается в соответствии с условиями эксперимента.
Аппарат роторной динамики MSC.Nastran позволяет легко вычислять эти нагрузки и поэтому он будет использоваться в будущем для этого класса задач».
Таким образом, диапазон проблем при исследовании вопросов роторной динамики чрезвычайно широк.
«С точки зрения современных задач, нет другой системы в мире, кроме MSC.Nastran, которая бы удовлетворяла требуемому спектру необходимых расчетов.
Мы выполнили интенсивное систематическое тестирование аппарата роторной динамики MSC.Nastran с целью проверки соответствия получаемых результатов с положениями теории. И можем сказать, что с новыми возможностями моделирования роторной динамики MSC.Nastran в этой чрезвычайно важной области проектирования самолетов сделан огромный шаг вперед.
Конечно-элементные модели, используемые в таких расчетах, невероятно большие – миллионы степеней свободы. В общем было невозможно выполнять задачи такого уровня на моделях такой размерности. Необходимы высокоэффективные методы редукции моделей. MSC.Nastran – единственная система, которая способна взять огромную модель, редуцировать ее до приемлемого уровня и получить точные результаты. Это система, которую используют и будут использовать компании для разработки двигателей летательных аппаратов и летательных аппаратов в целом.
Мы думаем, MSC.Nastran – путь для всех, кто хочет выполнять разработки быстрее, получая при этом лучшие результаты».