2010_MSC_VS_CIAM
description
Transcript of 2010_MSC_VS_CIAM
Применение технологий конечно-элементного моделирования и
анализа при проектировании современных газотурбинных
двигателей и энергосиловых установок
Широбоков В.В, технический эксперт, MSC Software
Решаемые задачи• Задачи анализа линейных динамических процессов
• Расчет собственных частот
• учет предварительного нагружения
• Расчет критических скоростей, определение частот и видов прецессии, границ устойчивости роторных систем
• учет скольжения роторов для многовальных роторных систем
• учет внешнего и внутреннего демпфирования
• учет податливости корпусных элементов конструкции - статора и т.д.
• Расчет частотного отклика
• учет влияния дисбаланса,
• Расчет линейных динамических переходных процессов
• учет демпфирования и конструктивных особенностей данного изделия
• Задачи анализа нелинейных динамических процессов, в т.ч. высоконелинейных быстропротекающих
процессов ударного характера• Расчет нелинейных динамических характеристик роторных систем, моделирование нестационарного перехода ротора через критические числа оборотов
• учет контактного взаимодействия
• учет влияния дисбаланса
• учет температурного нагружения
• учет внешнего силового и кинематического воздействия
• различные скоростные режимы,
• изменение условий нагружения по времени
• учет различных видов демпфирования
• Моделирование высоконелинейных динамических процессов при обрыве лопатки, попадании птицы в двигатель, потере несущей способности опор, заклинивании
ротора и т.п.. Определение степени разрушения элементов конструкции двигательной установки
• учет преднагруженного напряженно-деформированного состояния компонентов роторных систем
• учет контактного взаимодействия различных компонентов ДУ
• учет температурного нагружения
• учет внешнего силового и кинематического воздействия
• учет влияния дисбаланса
• учет различных видов демпфирования
• учет различных критериев разрушения
• Задачи расчета отклика конструкции на случайные динамические воздействия• Определение спектральной плотности мощности или энергии и накопленного среднеквадратичного отклонения случайных величин.
Специальные вопросы расчетного моделирования ГТД и энергосиловых
установок
• Комплексное моделирование обрыва лопатки ротора и последующий динамический анализ роторных систем с изменившимися массово-инерционными характеристиками в составе ДУ
• Моделирование попадания птицы в двигатель
• Лагранжевы элементы (MD Nastran, Dytran)
• Эйлеровы элементы (MD Nastran, Dytran)
• SPH метод (MD Nastran, LS-Dyna)
• Оценка несущей способности опор (MD Nastran, MD Adams, MSC Dytran)
• Задачи оптимизации (MD Nastran, MD Adams)
• Расчет роторных систем на случайное динамическое воздействие
• MD Nastran+MSC Random
• Тепловой анализ, моделирование систем охлаждения ГТД с учетом всех видов теплообмена, характера течения охлаждающей жидкости и гидравлических потерь
• MD Nastran
• Patran Thermal
• MSC Sinda
• Связанный тепло-прочностной анализ элементов конструкции ДУ
• MSC Marc, MD Nastran
MD NASTRAN SOL400
• Функциональные возможности
• Комбинация различных SUBCASE, STEP, ANALYSIS и команд
NLIC обеспечивает механизм для приложения различных
типов нагрузок, управления независимыми вариантами
нагружения, и одновременного запуска различных видов
расчета в рамках одного ANALYSIS JOB.
• Основные цели
• Это свойство MD NASTRAN SOL400 дает пользователю
возможность проведения многовариантного нагружения
исследуемой конструкции и одновременного выстраивания
цепочки различных видов анализа.
• Пользовательские сценарии
• При проведении расчета переходного процесса можно
использовать результаты статического анализа в качестве
преднагрузки
• Расчет собственных частот и форм можно проводить с
учетом нагрузок, полученных в результате расчета
переходного процесса
• Анализ теплопередачи следует за структурным анализом
• Команда ANALYSIS в SOL 400 определяет тип расчета, который будет проведен.
ANALYSIS = ‘analysis type’
• В MD NASTRAN, следующие типы анализа могут быть проведены в рамках единого Analysis Job :
• NLSTATICS – Nonlinear static analysis
• NLTRAN – Nonlinear transient analysis
• STATICS – Linear static analysis
• MODES – Normal modes analysis
• DCEIG – Direct complex eigenvalue analysis
• MCEIG – Model complex eigenvalue analysis
• HSTAT – Steady state heat transfer analysis
• HTRAN – Transient heat transfer analysis
Специальные вопросы расчетного моделирования ГТД и энергосиловых
установок
• Моделирование опор высокоскоростных или “малых” турбомашин –
турбодетандеров, турбокомпрессоров, турбогенераторов, а также высокочастотных
бесконтактных электродвигателей, гироскопов и т.п.
• Гидродинамические подшипники
• Гидростатические подшипники
• Газодинамические подшипники лепесткового типа (ЛГП)
• Газостатические подшипники
• Магнитные подшипники
Что можно получить в результате расчета
• 2D-3D дискретная и непрерывная анимация
• Вывод НДС конструкции по узлам, элементам, группам
• Визуализация пластических деформаций
• Вывод потенциальной и кинетической энергии деформации
для каждого из роторов в модели
• Вывод распределения энергии или мощности по диапазону частот
• Диаграмма Кэмпбелла
• Амплитудно-частотные характеристики
• Временные сигналы
• Орбиты движения узлов модели после нестационарного анализа
• Вибрационные спектры
• И многое другое……………
Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran
• Элементы CELAS, CBUSH1D и CBUSH2D являются обобщенными упруго-демпферными элементами, которые используются в MD Nastran для моделирования опор
• Особенности элементов типа CBUSH
• Нелинейное представление жесткости
• Возможность задания зависимости “сила-перемещение”
• Нелинейное представление демпфирующих свойств
• Возможность задания зависимости “сила – скорость”
• Способность терять жесткость при достижении:
a. Предельных нагрузок b. Максимальных относительных деформаций при
растяжении или сжатии
• Включение геометрической нелинейности и больших перемещений по вращательным степеням свободы
• Возможность задания радиальных и перекрестных зависимостей перемещения от силы
Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran
• CELAS – позволяет моделировать одномерные пружины и демпферы, имеющие
жесткости по одной из с.с., указанных пользователем
• CBUSH1D – позволяет моделировать пружины и демпферы, а также задавать свойства по
всем 6-ти степеням свободы для каждого элемента
• CBUSH2D – позволяет моделировать двумерные упруго-демпферные опоры с
определением жесткостных и демпфирующих характеристик в двух взаимно-
перпендикулярных плоскостях
• Элементы типа CBUSH позволяют моделировать подшипниковые узлы с наличием
частотно-зависимых жесткостей
• Элементы CBUSH2D позволяют вводить
более сложные зависимости для жесткостей опор
Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran (продолжение)
Squeeze Film Damper
• NLRSFD - элемент позволяющий моделировать опоры скольжения с внутренним смазочным
слоем
Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran (продолжение)
Squeeze Film Damper
• SFD код использует в качестве входных данных относительные перемещения и скорости
в соединямых узлах и вычисляет силы, действующие на
внутренний (роторный) узел опоры.
Равные по величине, и противоположные по направлению силы
прикладываются внешнему (статорному) узлу
yyxx ,,, ),,,( yyxxFy ),,,( yyxxFx
),,,( yyxxFy ),,,( yyxxFx
Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran. Squeeze Film
Damper
• Для облегчения использования в некоторых последовательностях решений динамических
задач NLRSFD может быть также добавлен и как конечный элемент. Демпфирование в этом
случае будет обеспечивать элемент 2-ого порядка (CBUSH2D).
• Элемент CBUSH может учитывать и структурное, и вязкое демпфирование.
• В зависимости от используемой карты свойств (PBUSH или PBUSHT), характеристики
элемента (а это не только демпфирование) могут быть скалярными или задаваться в виде
различного рода зависимостей
Моделирование упруго-демпферных опор в MD Nastran.
Элемент NLRGAP
• NLRGAP – элемент, позволяющий моделировать контакт двух цилиндрических
поверхностей
NLRGAP 99 37203 372030 XY 9900000 9900001
$TABK
TABLED1 9900000
0. 1.000+09100. 1.000+09ENDT
$TABG
TABLED1 9900001
0. 0.200-03100. 0.200-03ENDT
Использование технологии SCA в MD Nastran при моделировании
элементов опор ГТД
• SCA – Service Component Architecture
• SCA обеспечивает унифицированный независимый от платформы, ОС, или языка
программирования способ внедрения пользовательских подпрограмм
• Используя SCA архитектуру, в рамках одного программного продукта или
приложения (MD Nastran) можно интегрировать одни компоненты с другими
компонентами без необходимости знания о том как последние были внедрены в
приложение
Структура SCA в MD Nastran
Что такое компонент SCA
• SCA компонент можно представить следующим образом:
Services
A software function
provided to a client
through an interface
Properties
Attributes of the
component
References
Implementation
dependency on an
external service
Implementation
The code for the component in
any of many languages (Java,
BPEL, C++, PHP,
Fortran…
Component
Как это соотносится с MD Nastran
• SCA компонент можно представить следующим образом:
Services
A software function
provided to a client
through an interface
Properties
Attributes of the
component
References
Implementation
dependency on an
external service
Implementation
The code for the component in
any of many languages (Java,
BPEL, C++, PHP,
Fortran…
ComponentThe client in MD
Nastran is the
SCA Kernel
Как это соотносится с MD Nastran
• SCA компонент можно представить следующим образом:
Properties
Attributes of the
component
Component
The properties are defined by
the NLRSFD entry
Как это соотносится с MD Nastran
• SCA компонент можно представить следующим образом:
References
Implementation
dependency on an
external service
Component
The external
service is the
user created
component
Как это соотносится с MD Nastran
• SCA компонент можно представить следующим образом:
Implementation
The code for the component in
any of many languages (Java,
BPEL, C++, PHP,
Fortran…
Component
The lines of code defining
the component behaviour
SCA в MD Nastran
Карта MD Nastran NLRSFD (или теперь, компонент) была изменена, для
добавления новых полей для ввода данных
• Новые поля выделены синим цветом
SCA в MD Nastran
• Компонент NLRSFD
NLRSFD component
Wire to
kernel
Which service is executed
depends on the properties of the
NLRSFD entry
NLRSFD
internal
behaviour
NLRSFD user
defined
behaviour
SCA в MD Nastran
• Будет использован внутренний сервис NLRSFD
NLRSFD component
Wire to
kernel
NLRSFD
internal
behaviour
• Если поле GRPNAME оставить пустым
SCA in MD Nastran
• Будет использован внeшний сервис NLRSFD
NLRSFD component
Wire to
kernel
NLRSFD user
defined
behaviour
• Если поле GRPNAME определено
SCA в MD Nastran
• C:\UDS Nlrsfd.cpp
Insert your code here
Тестовый пример с использованием технологии SCA в MD
` Nastran
• В качестве исходной модели используется модель вала турбодетандера
• Опоры ротора – элементы CBUSH – обладающие линейной характеристикой
• Проводим 2 тестовых расчета переходного процесса с использованием MD Nastran
SOL400:
• Расчет с элементами СBUSH в качестве упругодемпферных опор
• Расчет с использованием комбинации элементов CBUSH+NLRSFD
CBUSH + CBUSH
СBUSH+NLRSFD “USER DEFINED” SCA компонент NASTRAN
Тестовый пример с использованием технологии SCA в MD
Nastran
NLRGAP – внутренний компонент
NASTRAN
NLRGAP – “USER DEFINED” SCA
компонент NASTRAN
• Опоры ротора – элементы NLRGAP, обладающие билинейной характеристикой
Пример практического применения технологии SCA в MD
Nastran компанией SNECMA
• Двухконтурный ГТД на 6 подшипниках • Входной файл MD Nastran для расчета
частотного отклика
Использование внешнего SCA
приложения в MD Nastran
Суперэлементы в роторной динамике
Se0
Se3 Se1 Se2
Se4
Se6 Se5
• Для расчета столь сложных моделей, какой является модель ГТД, оптимально подходит
использование суперэлементов, что существенно снижает временные и ресурсные затраты.
• Кроме того, в последних версиях пре- постпроцессора Patran появилась возможность
определения иерархии и последовательности подключения суперэлементов в модели –
Superelement Tree Definition.
Классическая схема построения КЭ модели для решения динамической
задачи в постановке “ротор+статор” с использованием суперэлементов
СЭ - РОТОР
СТАТОР
ВНЕШНИЕ УЗЛЫ СУПЕРЭЛЕМЕНТАСвязь
ротора с
опорой
(элемент
RBAR)
Упругая опора
(элемент
CELAS,СBUSH,
NLRSFD,NLRGAP)
Классическая схема построения конечноэлеметной модели ГТД с
использованием суперэлементов
SE1 SE2
SE4 SE5SE3 SEn…
Суперэлементы статора
Суперэлементы ротора
Остаточная структура
Внешние
суперэлементы
- внешние узлы суперэлементов
Вычислительные затраты
+ =
• Динамическая модель компрессора первой ступени ГТД
Модель/тип
расчета
Число элементов/с.с.
(размер входного
файла)
CPU Time Оперативная
память
Дисковое
пространство
MD Nastran
(ротор)
режим “SYNC”
~ 42000/220000
(~10Mb)
3 часа 0,15 Gb 3,7 Gb
MSC Nastran
(ротор + статор)
режим «SYNC»
~ 450000/3000000
(~100 Mb)
3 дня 1,3 Gb 77,5Gb
• для расчета критических частот вращения системы роторов полноразмерного ГТД в чистом виде при ограниченных вычислительных ресурсах
данная методика недостаточно эффективна
• Динамическая модель для определения критических частот вращения
связанной системы роторов
+ =
Модель/тип
расчета
Число элементов/с.с.
(размер входного файла)
CPU Time Оперативная
память
Дисковое
пространство
MD Nastran (ротор ВД +
ротор НД + статор)
режим “SYNC”
~ 528000/3200000
(~150 Mb)
0.33 1.3Gb 128 Gb
Вычислительные затраты
Спасибо за внимание!