Самые высокие механические нагрузки в валу турбины авиадвигателя возникают не по всей длине детали, а в нескольких конкретных участках. Они расположены в местах изменения геометрии, крепления и соединения деталей. Это выяснили специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), смоделировав работу вала при разных режимах полёта.
Учёные создали цифровую модель вала, в которой учли его размеры и форму, характеристики материалов, а также способы крепления отдельных элементов. Затем конструкцию проверили в виртуальной среде при режимах, соответствующих взлёту, полёту и посадке.
Расчёты показали, что напряжения внутри вала распределяются неравномерно. Наиболее нагруженными оказались поперечные сечения в местах перехода от одной геометрии к другой, соединения контактирующих деталей и участки крепления. Именно там формируются локальные зоны концентрации напряжений, которые сложнее выявить при обычном аналитическом расчёте.
Проблема связана с тем, что во время работы вал одновременно испытывает несколько видов воздействия. Он передаёт вращающий момент, подвергается растяжению и действует под влиянием центробежных сил. При изменении режима полёта дополнительные нагрузки возникают в элементах крепления.
Учёные предложили использовать комплексный расчёт, при котором все основные нагрузки учитываются одновременно.
Для этого специалисты предлагают применять топологическую оптимизацию — изменение формы детали с удалением избыточного материала из наименее нагруженных зон. В результате конструкцию можно сделать одновременно прочной и более лёгкой.
Читайте ещё материалы по теме:
- Инженеры ОДК объяснили устройство двигателей с конструкцией «вал в валу»
- Новый метод стендовых испытаний турбин от учёных ПНИПУ значительно снижает погрешность измерений
- Количество брака в авиа- и ракетостроительных отраслях может быть снижено за счёт применения новой математической модели, разработанной учёными ПНИПУ